基于ZigBee協(xié)議地面氣象觀測(cè)原型站無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋樹(shù)禮 陳冬冬 王柏林

(1 山東省日照市莒縣氣象局，莒縣 276500； 2 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081； 3 中國(guó)華云氣象科技集團(tuán)公司,北京 100081)

引言

近年來(lái)，我國(guó)在地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化方面進(jìn)行了大量探索和實(shí)驗(yàn)，取得了卓有成效的進(jìn)展，隨著地面氣象觀測(cè)設(shè)備的不斷增多，地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)不斷擴(kuò)展，其中山地、灘涂等受環(huán)境因素的影響不宜采用地下管線或隔空布設(shè)；溫度變化影響模擬信號(hào)的采集；電磁環(huán)境對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。常見(jiàn)的新型地面自動(dòng)氣象觀測(cè)設(shè)備采用RS232、CAN總線等有線方式傳輸數(shù)據(jù)。采用有線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸具有可靠性高、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但不適合在環(huán)境惡劣、布線不便的場(chǎng)所建站，觀測(cè)要素的擴(kuò)展也受一定限制[1-2]。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)支持CAN總線和ZigBee無(wú)線傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)原型站，將硬件中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)把自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸匯集到綜合集成硬件控制器，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)綜合集成硬件控制器傳輸?shù)絀SOS軟件，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、質(zhì)控、處理、上傳和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1 無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)議的原型觀測(cè)站無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要由各傳感器終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器(無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器)等組成，串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊工作在透?jìng)鞣绞?，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間每分鐘進(jìn)行心跳交互；串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊具有數(shù)據(jù)采樣、處理、質(zhì)控、存儲(chǔ)和通信等功能，采集數(shù)據(jù)最后經(jīng)過(guò)綜合集成硬件控制器傳到業(yè)務(wù)值班室，在ISOS軟件上進(jìn)行人機(jī)交互并形成上傳數(shù)據(jù)文件，再通過(guò)國(guó)內(nèi)氣象通信系統(tǒng)2.0(CTS2.0)上傳到省級(jí)中心站，經(jīng)CIMISS平臺(tái)質(zhì)控后上傳至國(guó)家信息中心[3-5]。ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)等結(jié)構(gòu)、樹(shù)簇結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型結(jié)構(gòu)所需協(xié)調(diào)器較少，協(xié)調(diào)器的功耗通常是終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備功耗的幾十倍，因此本系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)降低整體功耗[6-12]。并基于現(xiàn)有的新型自動(dòng)氣象站觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行改造，改進(jìn)后既能滿(mǎn)足無(wú)線通信需求，又可兼容現(xiàn)有的有線通信方式，觀測(cè)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)流傳輸如圖2所示。

圖2 觀測(cè)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)流傳輸

各傳感器均增加無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器，加裝一個(gè)橫臂并使用安裝背板將無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器掛接在橫臂上。將無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換的串口連接到儀器設(shè)備采集器的一個(gè)備用串口上，根據(jù)無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的串口配置要求，配置采集器的串口參數(shù)。傳感器不再通過(guò)線纜與采集器連接，無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用系統(tǒng)集成技術(shù)，外接電源、天線、RS232采集及調(diào)試接口，內(nèi)置時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換電路、程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。

(1)電源：傳感器采用外置電源接口連接太陽(yáng)能板或其他供電設(shè)備給傳感器供電，外接電源供電電壓為5～15 V，傳感器能夠自適應(yīng)外接電源電壓范圍要求。

(2)天線：無(wú)線通信天線選用頻率2.4 GHz、增益小于12 dBi的天線。天線安裝位置需保障正常通信。

(3)時(shí)鐘：自帶高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘，時(shí)鐘走時(shí)誤差小于等于1 s/日，接受集成處理器定時(shí)校時(shí)，校時(shí)誤差小于1 s。

(4)A/D轉(zhuǎn)換電路：選擇16位以上的A/D轉(zhuǎn)換電路、滿(mǎn)足傳感器測(cè)量精度要求。

(5)存儲(chǔ)：程序存儲(chǔ)器選用非易失性的、容量能滿(mǎn)足應(yīng)用軟件容量要求，并具有50%的余量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選擇非易失性的、容量能滿(mǎn)足10 d以上分鐘觀測(cè)要素及狀態(tài)要素存儲(chǔ)要求。

(6)通信接口：ZigBee天線接口用于安裝ZigBee外置天線，RS232串口通信接口與外置電源接口共用一個(gè)5芯航空插座。

(7)檢測(cè)電路：主要包括主板溫度測(cè)量、電池電壓檢測(cè)、通信狀態(tài)檢測(cè)。

3 無(wú)線傳輸系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線通信參數(shù)

數(shù)據(jù)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)RS232串口和ZigBee無(wú)線通信轉(zhuǎn)換功能，網(wǎng)絡(luò)層無(wú)線通信參數(shù)如表1所示：

表1 ZigBee無(wú)線通信參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)交互指令

無(wú)線端數(shù)據(jù)交互指令遵循《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能規(guī)格需求書(shū)》。無(wú)線端應(yīng)用層交互指令主要包括：支持CI(認(rèn)證)、DM(讀取)、DO(補(bǔ)收)、DT(對(duì)時(shí))、SW(模式)等指令。

3.3 無(wú)線傳輸流程

無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器上電后，內(nèi)置ZigBee無(wú)線模塊基于ZigBee自組網(wǎng)功能，自動(dòng)加入由附近Zigbee協(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)，并按如下流程執(zhí)行：

(1)無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和無(wú)線綜合集成硬件控制器之間根據(jù)自動(dòng)氣象站的CI指令過(guò)程，完成網(wǎng)絡(luò)初始化，包括對(duì)設(shè)備ID號(hào)、SN號(hào)進(jìn)行認(rèn)證。

(2)無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

(3)無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到數(shù)據(jù)讀取指令如DM，則無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器將DM指令轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足氣象數(shù)據(jù)字典協(xié)議的READDATA指令，并通過(guò)串口發(fā)送至儀器設(shè)備內(nèi)部完成數(shù)據(jù)采集。其中，數(shù)據(jù)讀取指令只能識(shí)別滿(mǎn)足自動(dòng)氣象站與無(wú)線通信協(xié)議格式的無(wú)線數(shù)據(jù)。

(4)無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換器在一定時(shí)間內(nèi)等待采集器串口的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送出去。

4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互機(jī)制設(shè)計(jì)

4.1 長(zhǎng)包拆分機(jī)制

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度有限制，因此采用數(shù)據(jù)包拆分機(jī)制，將自動(dòng)氣象站的大數(shù)據(jù)包拆分成多個(gè)滿(mǎn)足Zigbee網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送。每個(gè)數(shù)據(jù)包的開(kāi)頭增加一個(gè)包頭用來(lái)指示當(dāng)前分包的狀態(tài)，每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度不超過(guò)200個(gè)字節(jié)，包頭格式如下：

[#][ID][PB][,][分包計(jì)數(shù)，從1開(kāi)始累積][分包總個(gè)數(shù)][當(dāng)前分包字節(jié)數(shù)][,][正文]

例如：ID號(hào)為001的傳感器，需通過(guò)ZigBee無(wú)線發(fā)送420個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則自動(dòng)數(shù)據(jù)包將拆分成3個(gè)數(shù)據(jù)包(第1、第2個(gè)數(shù)據(jù)包各為200個(gè)字節(jié)，第3個(gè)數(shù)據(jù)包為20個(gè)字節(jié))發(fā)送。

[#001PB,0103200,BE….]

[#001PB,0203200,….]

[#001PB,0303020,….ED]

4.2 無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)格式

地面氣象觀測(cè)要素采用ZigBee無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式與有線數(shù)據(jù)傳輸格式保持一致，遵循《地面氣象數(shù)據(jù)對(duì)象字典》格式，即BG…ED的數(shù)據(jù)格式，與有線數(shù)據(jù)傳輸格式的區(qū)別是將無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包(BG…ED)中的ID域更換為傳感器的ID號(hào)，方便于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理。

5 結(jié)論

針對(duì)地面業(yè)務(wù)原型站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸需求，本文采用基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，具有易組網(wǎng)、功耗低、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，可同時(shí)完成多個(gè)氣象要素的實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)采集終端均采用模塊化設(shè)計(jì)，可方便后續(xù)功能擴(kuò)展，該系統(tǒng)在北京觀象臺(tái)運(yùn)行3年多來(lái)，效果良好，將為下一代地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。