ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳維 吳艷鋒 商量 張垚 段士軍 陸雅萍

（1 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100094； 2北京理工大學(xué)，北京 100081）

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對(duì)電磁波的“散射”作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量進(jìn)行探測(cè)的一種遙感設(shè)備[1]。TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)是一款邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，支持24 h無(wú)人值守全自動(dòng)運(yùn)行。雷達(dá)狀態(tài)信息及機(jī)房室內(nèi)外環(huán)境信息的采集與上傳是十分必要的[2]。傳統(tǒng)方案是利用計(jì)算機(jī)串口，采用RS232或RS422等有線通信協(xié)議讀取雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)視器或每一路傳感器的數(shù)據(jù)。這種方案存在布線繁瑣、計(jì)算機(jī)串口數(shù)量有限、傳感器數(shù)量不易增加等缺點(diǎn)[3]。

萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)思想提供了另外的方案，通過(guò)建立一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的感知、識(shí)別、監(jiān)視和應(yīng)用。針對(duì)TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)綜合對(duì)比幾種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案，ZigBee技術(shù)有其獨(dú)到之處。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

Z i g B e e 是一種短距離無(wú)線通信協(xié)議，使用868 MHz、915 MHz和2.4 GHz這3個(gè)ISM（Industrial、Scientific and Medical：工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）工作頻段，可在全球范圍內(nèi)免費(fèi)使用[4]。和WiFi相比，ZigBee成本低、功耗低；和藍(lán)牙相比，ZigBee傳輸距離長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)難度小。目前ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、醫(yī)院監(jiān)護(hù)、工業(yè)自動(dòng)化等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

1.1 ZigBee 技術(shù)體系

ZigBee協(xié)議在開(kāi)放系統(tǒng)互連（Open System Interconnection，OSI）參考模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用分層的思想實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各層示意圖Fig. 1 Schematic diagram of each layer of the ZigBee wireless network

可以看出，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共分為5層：物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層以及應(yīng)用層。其中，IEEE802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層以及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范[5]。

1.2 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?/h3>

ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以組成星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)[6]，如下圖2所示。

星形拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的一種拓?fù)湫问剑粋€(gè)協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）節(jié)點(diǎn)和一系列的終端（ End Device）節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)End Device節(jié)點(diǎn)只能和Coordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。如果需要在兩個(gè)End Device節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，必須通過(guò)Co-ordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。樹(shù)形拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)Co-ordinator以及一系列的Router（路由器）和End Device節(jié)點(diǎn)。Co-ordinator連接一系列的Router和End Device，它的子節(jié)點(diǎn)的Router也可以連接一系列的Router和End Device，這樣可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)。網(wǎng)狀拓?fù)洌∕esh拓?fù)洌┌粋€(gè)Coordinator和一系列的Router以及End Device。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С致酚晒?jié)點(diǎn)之間直接通信，一旦某個(gè)路由路徑出現(xiàn)問(wèn)題，信息可以自動(dòng)沿其他路由路徑繼續(xù)傳輸[7]。

星形和樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)適合單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)組合，可以覆蓋更廣闊的范圍以及更多的設(shè)備[8]。

圖2 ZigBee3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Three network topologies of the ZigBee

2 TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建

結(jié)合TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)的特點(diǎn)，選擇組建星形網(wǎng)絡(luò)。主控計(jì)算機(jī)作為協(xié)調(diào)器，雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)視器、室內(nèi)外環(huán)境信息采集板分別作為3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。

2.1 ZigBee 無(wú)線通信電路板的設(shè)計(jì)及室內(nèi)外環(huán)境信息檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

組建ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要有相關(guān)硬件和軟件支持。硬件方面，美國(guó)TI公司SimpleLinkTM平臺(tái)推出了支持ZigBee協(xié)議的CC2538芯片，這是一枚基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)片上系統(tǒng)（SoC），強(qiáng)大的計(jì)算能力以及豐富的外設(shè)，使得此芯片特別適合數(shù)據(jù)采集及控制方面的應(yīng)用。軟件方面，TI公司也推出了相應(yīng)的Z-stack協(xié)議棧[9]。只要在編寫CC2538芯片程序時(shí)集成并調(diào)用Z-stack協(xié)議棧的函數(shù)，就可以設(shè)定電路板在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的類型，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，同時(shí)可以利用芯片上的外設(shè)實(shí)現(xiàn)信息采集和控制的功能。

TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)室內(nèi)環(huán)境信息包括溫度、濕度以及煙霧報(bào)警這3個(gè)變量。室外環(huán)境信息包括溫度、煙霧報(bào)警和GPS信號(hào)這3個(gè)變量。綜合考慮TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需求，利用CC2538芯片設(shè)計(jì)一塊電路板，預(yù)留溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧報(bào)警器以及RS232的接口，其中RS232接口可以和GPS傳感器、狀態(tài)監(jiān)視器或者主控計(jì)算機(jī)通信。為了增加靈活性，此電路設(shè)計(jì)為直流電源或電池雙供電模式。得益于CC2538芯片的超低功耗特性，作為終端節(jié)點(diǎn)使用時(shí)，采用4節(jié)5號(hào)電池供電，此電路可以工作半年以上時(shí)間[10]。

設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線通信電路板功能框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee無(wú)線通信電路板功能框圖Fig. 3 Functional block diagram of ZigBee wireless communication circuit board

TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行室內(nèi)外環(huán)境信息檢測(cè)時(shí)，室內(nèi)外各放置一塊ZigBee無(wú)線通信電路板，根據(jù)需要連接相應(yīng)傳感器，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。程序方面，需要將負(fù)責(zé)室內(nèi)外環(huán)境信息檢測(cè)的電路板設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。

2.2 狀態(tài)監(jiān)視器的改造

TWP3狀態(tài)監(jiān)視器負(fù)責(zé)采集雷達(dá)自身狀態(tài)信息，包括交流電電壓、模擬電路直流電壓、數(shù)字電路直流電壓及雷達(dá)各個(gè)模塊的狀態(tài)信息。以前狀態(tài)監(jiān)視器電路通過(guò)RS232串口和計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行通信，現(xiàn)在令狀態(tài)監(jiān)視器電路通過(guò)RS232串口將信息傳給ZigBee無(wú)線通信電路板，再由ZigBee無(wú)線通信電路板加入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種方案，硬件電路方面幾乎不用修改，軟件程序方面，需要將與狀態(tài)監(jiān)視器相連的ZigBee無(wú)線通信電路板設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。TWP3狀態(tài)監(jiān)視器作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的框圖如圖4所示。

圖4 TWP3狀態(tài)監(jiān)視器作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)Fig. 4 TWP3 status monitoring unit as network terminal node

2.3 主控計(jì)算機(jī)的改造

室內(nèi)外環(huán)境信息檢測(cè)電路板和狀態(tài)監(jiān)視器都被設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器就由主控計(jì)算機(jī)擔(dān)任。將ZigBee無(wú)線通信電路板設(shè)置為協(xié)調(diào)器，通過(guò)RS232串口與計(jì)算機(jī)串口相連，計(jì)算機(jī)可以像使用串口一樣通過(guò)ZigBee無(wú)線通信電路板讀取網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作流程

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖5所示。

主控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器輪詢狀態(tài)監(jiān)視器、室內(nèi)、外環(huán)境信息檢測(cè)電路，就可以得到所需的信息。鑒于這些信息重要性和優(yōu)先級(jí)不同，狀態(tài)監(jiān)視器的信息每2 s讀取一次，室內(nèi)環(huán)境信息每分鐘讀取1次，室外環(huán)境信息每5 min讀取1次。對(duì)于采用電池供電的電路，可以令CC2538間歇進(jìn)入低功耗模式，這樣可以顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命[10]。

3 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用效果

在實(shí)際應(yīng)用中，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)每小時(shí)的通信次數(shù)就可以達(dá)到上千次。一個(gè)月的試用期內(nèi)，即使天氣條件惡劣，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也能將數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠地上傳至主控計(jì)算機(jī)。對(duì)于電磁兼容問(wèn)題，一方面，TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)接收通道前端配置（1290±2） MHz的腔體濾波器，中頻放大器后端配置（60±1） MHz的LC濾波器，ZigBee的頻譜不會(huì)影響雷達(dá)工作；另一方面，雷達(dá)自身發(fā)射頻譜也被有效控制，雷達(dá)發(fā)射機(jī)靜態(tài)噪聲＜110 dBm/MHz，雜散＜60 dBm，雷達(dá)也不會(huì)影響ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[11]。實(shí)際使用中，TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)通過(guò)WPCS軟件讀取ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

4 結(jié)論

圖5 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的工作流程Fig. 5 Workflow of the ZigBee wireless sensor network coordinator and terminal node

圖6 WPCS軟件讀取ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)Fig. 6 Data reading from the ZigBee wireless sensor network using the software WPCS

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的方案之一。通過(guò)在TWP3風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)方案布線繁瑣、計(jì)算機(jī)串口數(shù)量有限、傳感器數(shù)量不易增加等問(wèn)題。實(shí)際使用中還發(fā)現(xiàn)，某些風(fēng)廓線雷達(dá)和自動(dòng)氣象站相鄰，而某些自動(dòng)氣象站或站內(nèi)某些探測(cè)設(shè)備也支持ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[12]。將自動(dòng)氣象站的信息和雷達(dá)的信息互相融合，綜合處理，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)用和收獲？萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)，一定會(huì)助力氣象設(shè)備取得新的發(fā)展。