基于ZigBee無線組網(wǎng)的微型氣象站設(shè)計(jì)

馮兆宇+崔天時+張志超+呂信超

摘 要：針對傳統(tǒng)氣象站數(shù)據(jù)采集精度低和建站成本高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線組網(wǎng)的微型氣象站，該氣象站以ZigBee技術(shù)為依托，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、存儲和傳輸。結(jié)果表明，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可使微型氣象站建站更簡單、功耗低、采集精度高，從而保證了氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

關(guān)鍵詞：ZigBee；微型氣象站；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線組網(wǎng)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

由于我國面積大，使得氣象監(jiān)測覆蓋范圍過小，加上傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)采集具有靈活性差、功耗大、穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)，很難得到準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)。人們生活水平提高的同時對氣象預(yù)報(bào)的要求也越來越高[1，2]。當(dāng)前普遍使用的氣象站各氣象要素之間的監(jiān)測都相互獨(dú)立，系統(tǒng)的開放性和兼容性不高[3]，并且氣象傳感器互換性能差，整個系統(tǒng)龐大，系統(tǒng)功耗大，這就使得傳統(tǒng)氣象站的建站成本高，不宜大規(guī)模建站[4]。所以，建立微型氣象站勢在必行，其具有成本低和建站簡單等特點(diǎn)，有利于氣象監(jiān)測的全面化和提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

隨著通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器技術(shù)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5，6]。ZigBee技術(shù)具有組網(wǎng)能力強(qiáng)、功耗低、復(fù)雜度低等特點(diǎn)[7，8]，能夠很好地滿足微型氣象站的要求，使氣象數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理更加簡捷化和智能化。本文采用ZigBee技術(shù)搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而完成微型氣象站系統(tǒng)中的氣象要素（風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、大氣壓力、雨量等）的采集、傳輸和處理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線組網(wǎng)的微型氣象站監(jiān)測系統(tǒng)把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置成星形網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置一個ZigBee節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，其他節(jié)點(diǎn)為ZigBee的終端設(shè)備。微型氣象站系統(tǒng)中的氣象傳感器模塊把采集到的氣象數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備在接收到采集的數(shù)據(jù)后再傳輸給網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將風(fēng)向、風(fēng)力、溫度、濕度、降雨量等智能傳感器測量的數(shù)據(jù)和ZigBee的設(shè)備型號傳輸給計(jì)算機(jī)終端處理，完成整 個氣象數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的過程。

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣象監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)

微型氣象站的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集模塊是由風(fēng)力傳感器、風(fēng)向傳感器、溫度傳感器等氣象要素傳感器組成。傳感器通過I/O接口與通信和處理模塊相連接。

2.2 ZigBee模塊

本系統(tǒng)用的ZigBee模塊是由TI公司推出的CC2530芯片。它支持IEEE802.15.4/ ZigBee協(xié)議，是面向短距離自動控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 GHz頻段，該頻段是全球統(tǒng)一不需要申請的免費(fèi)頻道。同時，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以連接三十多個傳感器和受控設(shè)備。CC2530芯片集成了8051單片機(jī)內(nèi)核和CC2520射頻芯片的系統(tǒng)芯片，支持低功耗模式。本文選用的是CC2530F256，該芯片集成了256 KB可編程閃存和8 KB RAM，具有各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，并且包含了8路可配置的12位ADC、1個通用的16位定時器和2個8位定時器，以及21個可編程的I/O口，具有極高的靈敏度和抗干擾能力[9]。此外，CC2530芯片只需要極少的外接原件即可形成一個應(yīng)用系統(tǒng)。因此，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建簡單，成本低。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PC機(jī)控制中心功能設(shè)計(jì)

微型氣象站監(jiān)測系統(tǒng)中的各種傳感器采集的數(shù)據(jù)最終都要傳輸?shù)絇C機(jī)的中央處理單元，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理和顯示，因此，PC機(jī)的控制中心平臺應(yīng)包括初始化、數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)和數(shù)據(jù)顯示等功能。具體框架如圖3所示。

初始化模塊用來初始化I/O接口和ZigBee節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)搭建系統(tǒng)需要的傳感器網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集模塊主要用來設(shè)定氣象數(shù)據(jù)采集的方式，并完成數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送，顯示模塊把采集到的數(shù)據(jù)直觀的顯示出來，以便于分析和管理。

3.2 組建網(wǎng)絡(luò)

在組網(wǎng)之前要對每個ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，節(jié)點(diǎn)的初始配置在PC機(jī)的控制中心進(jìn)行，傳感器連接到PC機(jī)，把初始配置信息寫入每個節(jié)點(diǎn)，確定設(shè)備的類型，協(xié)調(diào)器通過設(shè)備對象層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成要求，獲取16位短地址，網(wǎng)絡(luò)建成。終端設(shè)備發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)請求，收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)后，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，獲取16位短地址。然后發(fā)送IEEE地址請求，當(dāng)被確認(rèn)后，即完成了綁定。如果要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信就是將多個終端與協(xié)調(diào)器綁定，即實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)過程。簡而言之，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的軟件流程主要包括設(shè)備的初始化，建立網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)等。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖4所示，終端設(shè)備程序流程如圖5所示。

從程序流程圖可以看出，本設(shè)計(jì)中使系統(tǒng)工作在休眠狀態(tài)可以降低無線傳感器的功耗，并定期由定時器進(jìn)行喚醒，通過縮短系統(tǒng)工作時間來達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。

4 測試結(jié)果

為了測試所設(shè)計(jì)的微型氣象站系統(tǒng)的效果，在校園內(nèi)比較開闊的地方安裝放置了本論文設(shè)計(jì)的微型氣象站，并定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測試結(jié)果是各種氣象元素的數(shù)值，如表1所示。同時，在表1列出了來自氣象局的各種氣象元素的數(shù)值?？梢詮谋?中看出，微型氣象站監(jiān)測的氣象元素?cái)?shù)值與氣象局的數(shù)值相比較沒有太大差別。這也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線組網(wǎng)的微型氣象站具有監(jiān)測精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且建站簡單，成本低。

5 結(jié) 語

本文基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種微型氣象站，把溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度、雨量等氣象要素的監(jiān)測值，利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線傳輸，并設(shè)計(jì)了PC機(jī)控制中心平臺，對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和處理。通過安置微型氣象站監(jiān)測氣象要素并與來自氣象局的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了微型氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，基于ZigBee無線組網(wǎng)的微型氣象站具有建站簡單、數(shù)據(jù)傳輸效率高等特點(diǎn)，符合氣象監(jiān)測的要求，具有很好的應(yīng)用前景。

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