基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)化自動氣象站的研制

1、基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)化自動氣象站的研制常州交通技師學(xué)院 王偉地址：常州懷德南路38號郵編：213016（字?jǐn)?shù) 3100）摘要 本文介紹了以JN5121模塊及ADS1218模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)集中器采集各節(jié)點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)，并利用GPRS傳輸?shù)竭h(yuǎn)程主機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功耗低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了各傳感器節(jié)點(diǎn)的即插即用以及測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。關(guān)鍵詞 自動氣象站 Zigbee協(xié)議 傳感器節(jié)點(diǎn)中圖分類號 TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ADevelopment of Network Automatic Meteorological Station Based on Zig

2、Bee Wei Wang(, Changzhou 213000, China )Abstract: The development of automatic network meteorological station based on ZigBee is introduced and the data is sent by the wireless network. This device could get work with simple structure, high accuracy and low power consumption. Keywords: Automatic met

3、rological station; Protocol of ZigBee; ADS121861 引 言目前，我國主要依靠人工方式進(jìn)行氣象觀測，其觀測數(shù)據(jù)大部分仍采用傳統(tǒng)的有線方式傳輸。受地理位置與地形條件的影響，災(zāi)害性天氣的監(jiān)測存在很大的難度，無法滿足地面觀測系統(tǒng)自動化、遙測化的發(fā)展要求，而且氣象測量要素的增減以及氣象儀器的更新也較復(fù)雜。1本文根據(jù)總線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee短距離傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化自動氣象站。這種氣象站中傳感器之間無需通信線路，并實(shí)現(xiàn)了多種測量要素的即插即用，可以縮短觀測時間間隔，提高了氣象觀測資料的時間密度,以加強(qiáng)對天氣系統(tǒng)，特別是中小尺度天氣系統(tǒng)和

4、災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測能力。2 工作原理ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了MAC層和PHY層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee協(xié)議棧則定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)層的標(biāo)準(zhǔn)。傳輸距離近、傳輸速率低、功耗小、價格便宜，適用于多要素觀測的聯(lián)網(wǎng)，可以嵌入到各種設(shè)備中去2。本系統(tǒng)采用了JN5121無線傳輸模塊。該模塊配備了IEEE802.15.4 MAC層軟件或ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，還提供了訪問JN5121芯片的全部數(shù)字和模擬接口能力。整個網(wǎng)絡(luò)化自動氣象站系統(tǒng)分為以下三個模塊：基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)化傳

5、感器節(jié)點(diǎn)模塊、基于ARM的數(shù)據(jù)集中及GPRS通信模塊、遠(yuǎn)程主機(jī)及數(shù)據(jù)庫模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 自動化氣象站的基本模塊氣象站主要有溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象要素，考慮到自動氣象站的工作環(huán)境，采用了太陽能電池供電，這就要求系統(tǒng)具有較低的功耗，直接利用ZigBee模塊中自帶的32位處理器對采集信號進(jìn)行控制處理。來自傳感器的信號經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及處理，并通過ZigBee協(xié)議打包后，通過JN5121模塊實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)之間的通信。最后由數(shù)據(jù)集中器通過GPRS的方式將整理好的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程主機(jī)的中央數(shù)據(jù)庫中，配合相應(yīng)的業(yè)務(wù)軟件完成自動氣象站的觀測任務(wù)。3 傳感器節(jié)點(diǎn)圖2給出了溫度傳

6、感器節(jié)點(diǎn)的電路原理，溫度傳感器PT100在恒流源激勵下把溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號,并通過ADS1218的模擬輸入通道AIN0和AIN1組成的差分輸入通道傳送給A/D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號由JN5121模塊中的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)ZigBee協(xié)議進(jìn)行打包后，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。模塊中預(yù)留了RS232通信接口，用于與主機(jī)之間的串口通信、調(diào)試。圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)電路ADS1218是TI公司的一款高性價比的A/D轉(zhuǎn)換器。具有8通道24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其有效轉(zhuǎn)換結(jié)果最高可達(dá)到20位左右，而且功耗很低，完全能夠滿足自動氣象站的工作要求，ADS1218還提供了2.5V的基準(zhǔn)電壓、可編程恒流源等功能。

7、為提高測量的精度，系統(tǒng)采用了Pt100電阻四線制的接法。Pt100的激勵電流由ADS1218產(chǎn)生，保證流過Pt100電阻上的電流為恒定為1mA左右。4 數(shù)據(jù)集中及通信模塊在數(shù)據(jù)集中模塊中，采用了Phlip公司的基于ARM7的LPC2148微處理器作為硬件的核心，采用了uC/OS-II作為軟件開發(fā)平臺，提高了軟件設(shè)計(jì)的效率和系統(tǒng)的實(shí)時性3。LPC2148內(nèi)有512K的flash存儲器以及32K的RAM和USB2.0接口。選用了廣州致遠(yuǎn)電子公司的外置GPRS無線模塊(DTU)，內(nèi)部集成了PPP 和TCP/IP協(xié)議，通過ZWG-22A與上位機(jī)構(gòu)成完全透明的數(shù)據(jù)通道。ZWG-22A提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS23

8、2串行接口，將信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行全雙工通信。數(shù)據(jù)集中及通信模塊的框圖3如所示。圖3 數(shù)據(jù)集中及通信模塊構(gòu)框圖5 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通過ZigBee協(xié)議棧所提供的用戶程序接口來實(shí)現(xiàn)整個程序的開發(fā)。基本的工作流程圖如圖4所示。 圖4 數(shù)據(jù)采集工作流程圖系統(tǒng)上電后，運(yùn)行主程序，對各模塊初始化，并開放相應(yīng)中斷。傳感器節(jié)點(diǎn)在定時喚醒后，檢查數(shù)據(jù)集中模塊是否有任務(wù)請求命令。如果有，則采集數(shù)據(jù)并發(fā)送；如果沒有，則將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存；數(shù)據(jù)集中模塊在接收到返回的數(shù)據(jù)后，通過GPRS上傳到中心數(shù)據(jù)庫。4通過遠(yuǎn)程主機(jī)可以得到相應(yīng)的觀測結(jié)果，如圖5所示。圖5 測量數(shù)據(jù)顯示結(jié)果在遠(yuǎn)程主機(jī)端，采用了MSCOMM

9、 (Microsoft communication control)來實(shí)現(xiàn)與底層數(shù)據(jù)的通信，并通過事件驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)串口通信。為節(jié)約系統(tǒng)開銷，采集到的數(shù)據(jù)都通過上位機(jī)來進(jìn)行顯示，對各觀測項(xiàng)目按類別進(jìn)行分析，生成溫度/濕度圖、風(fēng)速圖等，如圖6所示。圖6 溫度查詢系統(tǒng)6 結(jié)束語基于ZigBee的自動氣象站在網(wǎng)絡(luò)化模式下實(shí)現(xiàn)了各測量模塊的即插即用，并可以通過數(shù)據(jù)集中及通信模塊的GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳送。由于系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活，可方便改進(jìn)并推廣到其它數(shù)據(jù)測量應(yīng)用中。本文將ZigBee協(xié)議應(yīng)用到自動氣象站的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了模塊間數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，可以取代傳統(tǒng)有線式數(shù)據(jù)的傳輸，提高了自動氣象站的適應(yīng)能力。參考

10、文獻(xiàn)1 Nia-Chiang Liang, Ping-Chieh Chen,Tony Sun. Impact of Node Heterogeneity in ZigBee Mesh Network Routing. IEEE International Conference on System, Man, and Cybernetics 2006 October 8-112 曹禛,曹長修,唐小軍. 基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用 自動化博覽 2006-13 劉曉寧,黎峰. ZigBee技術(shù)在無線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 2006年通信理論與信號處理年會會議論文集 2006-104 Wan-Ki Park, Chang-Sic Choi etc. Design and implementation of ZigBee based URC Applicable to Legacy Home Appliaces. IEEE 2007 本文的創(chuàng)新點(diǎn)：