前言：本站為你精心整理了氣象站體系的網(wǎng)絡設計范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

本文作者：何慧蕓1馬啟明2黃啟俊1常勝1作者單位：1.武漢大學物理科學與技術學院2.中國氣象局氣象探測中心

0引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對氣象預報的要求越來越高，對觀測手段和檢測精度都提出了新的要求［1］。氣候預報的準確性和實時性，會為國民經(jīng)濟的發(fā)展和決策提供有力支持［2］。我國目前普遍使用的氣象站來看，傳感器是以分離式結構采集各要素，沒有進行各要素的綜合集成，各氣象要素的采集、傳輸、數(shù)據(jù)處理相互獨立，系統(tǒng)開放性以及兼容性不高［3－4］，主要采用有線網(wǎng)絡連接，導致氣象觀測儀器在野外安裝極其不便。因此如何解決氣象站的布線繁瑣和傳感器對各要素數(shù)據(jù)的綜合集成，是亟需解決的問題［5－6］。本文采用基于ZigBee的無線傳輸技術［7－10］，搭建了1個應用于氣象站的智能傳感器系統(tǒng)，構建了集中的數(shù)據(jù)處理平臺，解決了傳統(tǒng)氣象站數(shù)據(jù)分散處理，布線繁瑣的問題。

1設計思路

系統(tǒng)采用ZigBee技術配置成星型網(wǎng)絡，主節(jié)點為ZigBee協(xié)調(diào)器，其他節(jié)點為ZigBee的終端設備。各個傳感器模塊獲得數(shù)據(jù)后傳輸給ZigBee終端，ZigBee終端接收到數(shù)據(jù)后傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將風向、風速、溫度、大氣壓力、雨量等智能傳感器測量后的信息和ZigBee的設備型號集中傳給PC終端處理，完成整個數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理過程。溫度傳感器采用的是DALLAS半導體公司的DS18B20數(shù)字溫度芯片和pt1000鉑電阻模擬傳感器。

雨量筒采用的中環(huán)天儀生產(chǎn)的雨量翻斗，選用0．5mm量程和0．1mm量程2種，對雨量的測量更準確。風速、風向傳感器采用的是采用芬蘭VAISALA的WXT520，WXT520具備加熱功能，能夠對風速、風向進行溫度補償修正，保證測量數(shù)據(jù)的準確性。大氣壓力傳感器采用的是芬蘭VAISALA的PMT16A，通過靜壓力通風，這樣可減少風對壓力測量的影響。濕度傳感器采用VAISALA的電容性高分子薄膜HUMICAP180傳感器。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。此外系統(tǒng)還要對各氣象要素傳感器的狀態(tài)信息進行采集和控制，實現(xiàn)各氣象要素的傳感器的自檢和采集數(shù)據(jù)的非線性修正，從而達到智能氣象站傳感器設計的要求。

2硬件設計

2．1ZigBee模塊

ZigBee模塊采用TI／Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片。CC2430整合了2．4GHzIEEE802．15．4／ZigBeeRF收發(fā)機CC2420以及工業(yè)標準的增強型8051MCU的卓越性能［11］。本設計采用的是CC2430－F128，CC2430－F128包含增強型8051，比標準的8051速度快12倍；128KB可編程閃存和8KB的RAM，增加數(shù)據(jù)的存儲量；14位的A／D，使得模數(shù)轉換更精確等，因此CC2430非常適用于低功耗的無線傳感器系統(tǒng)。

2．2傳感器與ZigBee連接

傳感器和ZigBee模塊主要通過2種連接方式：1）通過I／O口連接，主要溫度采集模塊。溫度采集模塊包括數(shù)字溫度傳感器DS18B20和模擬溫度傳感器Pt1000，及時鐘芯片DS1302．DS18B20采用了單總線結構，具有非常低的功耗。適用溫度范圍－55℃至＋125℃，在－10℃至＋85℃，范圍內(nèi)精度為±0．5℃，分辨率可以達到0．0625℃。Pt1000采集溫度電路采用三線制電路。如圖2所示，通過接口6連到CC2430的I／0來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。并通過3種方式提高溫度采集的準確性：1）全部使用精密電阻；2）使用供電電壓值穩(wěn)定、精度比較高的穩(wěn)壓源；3）使用穩(wěn)定性高的AD620放大器。

溫度傳感器節(jié)點的整體功耗非常低。整體供電分為2部分：一部分是ZigBee本身模塊的供電，第二部分是傳感器和時鐘芯片的供電。ZigBee本身的供電來自于3節(jié)1．5VAAA電池，因為ZigBee板和傳感器需要不同的電壓供電，ZigBee板通過轉換電路將電壓轉換成3．3V給CC2430供電。傳感器DS18B20和時鐘芯片DS1302以及pt1000都是使用5V供電。2）通過串口RS232連接，主要是雨量、風向、風速、濕度、大氣壓力采集模塊。以雨量采集模塊為例詳細介紹。雨量采集模塊由雨量翻斗和微控制處理器組成。翻斗雨量傳感器輸出翻斗雨量信號，經(jīng)過脈沖發(fā)生及濾波整形電路，傳輸給數(shù)據(jù)處理單元MSP430，數(shù)據(jù)處理單元主要負責測量傳感器的開關信號，完成傳感器的信號采集，并對采樣值進行數(shù)據(jù)運算處理、質(zhì)量控制、記錄存儲，最后通過串口連接ZigBee實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸。結構框圖如圖3所示。

3軟件設計

ZigBee的組網(wǎng)過程為先初始化應用層，確定設備類型，協(xié)調(diào)器通過ZDO層（設備對象層）向網(wǎng)絡層發(fā)送網(wǎng)絡形成請求，獲取16位短地址，網(wǎng)絡建立完成。終端設備發(fā)送網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)請求，收到網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)確認后，發(fā)送網(wǎng)絡加入請求，獲得協(xié)調(diào)器的16位短地址。然后發(fā)送IEEE地址請求，收到確認后，綁定過程完成。同時進行多點通信就是將多個終端與協(xié)調(diào)器綁定，即實現(xiàn)組網(wǎng)過程。ZigBee無線網(wǎng)絡的軟件流程主要為設備初始化，建立網(wǎng)絡，加入網(wǎng)絡，采集溫度時間數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示，傳感器節(jié)點軟件流程如圖5所示。

4系統(tǒng)測試及結果分析

4．1系統(tǒng)功能測試

為了檢測ZigBee無線網(wǎng)絡的功能，用溫度模塊進行驗證。將溫度模塊放置于實驗室各個角落，把采集到的溫度和時間信息發(fā)送給中央控制單元。VB．NET編寫的上位機監(jiān)測界面如圖6所示。左邊是節(jié)點1的實時溫度變化曲線，右邊是各個節(jié)點的溫度信息。打開開始采集，各個節(jié)點的信息將發(fā)送給上位機，點擊節(jié)點1～節(jié)點3，可以打開或關閉對節(jié)點信息的接收。點擊歷史文件處理按鈕，可以對采集的數(shù)據(jù)保存及歷史數(shù)據(jù)查看。

4．2系統(tǒng)性能測試

為了測量系統(tǒng)傳輸距離，可以利用接收信號強度指示（RSSI）技術來實現(xiàn)，測試結果是終端到協(xié)調(diào)器無線電信號的衰減強度。所使用的CC2430芯片內(nèi)置了接收信號強度指示器（RSSI）。分別在室內(nèi)和室外及室內(nèi)有阻擋的情況下做RSSI隨距離變化的測試，結果如圖7、圖8所示。

分析圖7，從測試的距離來看，室外測試的距離50m大于室內(nèi)測試的最大距離40m；從RSSI的強弱來分析，室內(nèi)在30～40m的各點RSSI高于室外，1～30m室外大部分RSSI高于室內(nèi)；從整體的變化趨勢看，室內(nèi)RSSI下降幅度比室外大。

分析圖8，從測試的距離來看，有阻擋的情況下，能夠測試的距離明顯減少；從RSSI的強弱來分析，室內(nèi)有阻擋的情況下RSSI在各點明顯低于沒有阻擋的情況；從整體的變化趨勢看，室內(nèi)有阻擋的情況RSSI下降幅度比無阻擋的情況下大。氣象站的地面觀測場（傳感器安裝地）一般距離控制室?guī)资走h，本設計采用的低功耗ZigBee模塊可以滿足氣象要素傳感器場地安裝的要求。少數(shù)氣象站地面觀測場距離控制室較遠，可以通過增大ZigBee的功率或者更換ZigBee發(fā)送模塊可以達到100m到數(shù)百m距離的要求。

5結論

本文采用ZigBee星型網(wǎng)絡把風向、風速、溫度、濕度、大氣壓力、雨量等氣象要素傳感器集成、利用ZigBee無線技術對采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，設計了上位機數(shù)據(jù)顯示界面。通過溫度要素驗證了氣象站無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，分析ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸距離與RSSI之間的相關性，實驗表明ZigBee無線網(wǎng)絡使氣象站具有建站簡單、功耗低、維護方便等特點，符合目前國際氣象探測的需求，具有良好的市場應用前景。