基于ZigBee技術(shù)的氣象參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

夏江濤

（南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引言

近年來，全球氣候異常現(xiàn)象越來越顯著，其引起的經(jīng)濟損失日益嚴重。地面氣象觀測的氣象參數(shù)的實時性對人類生產(chǎn)生活有著重要的影響。同時，為了準確掌握一定區(qū)域內(nèi)的氣象參數(shù)分布特征，則需要在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)布置許多監(jiān)控節(jié)點。傳統(tǒng)的自動氣象站節(jié)點采用的是多傳感器連接在同一采集板上的體系結(jié)構(gòu)，大量的信號線不僅帶來信號的衰減和干擾，也限制了數(shù)據(jù)采集點布置的靈活性。尤其是在許多環(huán)境復(fù)雜多樣的野外區(qū)域內(nèi)，不適合架設(shè)通信線路，這樣就限制了傳統(tǒng)自動氣象站的使用［1－3］。因此，利用ZigBee技術(shù)和GPRS／GSM 技術(shù)，構(gòu)建了分布式無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)氣象站有線傳輸?shù)南嚓P(guān)問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、協(xié)調(diào)器節(jié)點、現(xiàn)場路由節(jié)點和終端節(jié)點等組成。所有的節(jié)點組成一個網(wǎng)狀的監(jiān)測系統(tǒng)，其中，終端節(jié)點控制其上的相應(yīng)傳感器對環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，通過ZigBee PRO協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到現(xiàn)場路由節(jié)點，路由節(jié)點負責將各個終端節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，而協(xié)調(diào)器節(jié)點負責向遠程的監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)信息，同時也可以獲得監(jiān)控中心發(fā)送來的指令信息并傳送給路由節(jié)點和終端節(jié)點。監(jiān)控中心位于整個系統(tǒng)的最上層，負責與各個遠程現(xiàn)場的協(xié)調(diào)器節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信，接收處理數(shù)據(jù)信息或發(fā)布控制指令。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 節(jié)點核心芯片

JN5148是高性能的無線SOC表面貼裝模塊，對IEEE802．15．4與ZigBee PRO的應(yīng)用具有針對性。JN5148自帶ZigBee PRO軟件構(gòu)架，可以在現(xiàn)有的平臺上定義各自的應(yīng)用方式，減少開發(fā)難度。ZigBee PRO協(xié)議棧的每一層初始化后，系統(tǒng)就進入低功耗模式，等待中斷到來喚醒系統(tǒng)而進入處理機制，適合于現(xiàn)場測量系統(tǒng)節(jié)點的應(yīng)用需求。

JN5148模塊提供了大存儲、高性能CPU、超低功耗和優(yōu)異無線RF包括在內(nèi)的全面解決方案。模塊集成設(shè)備豐富，包括3個定時／計數(shù)器、4路12位ADC、2路12位DAC、21個通用I／O口等硬件資源，足夠滿足大部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件需求［4－6］。

系統(tǒng)采用JN5148模塊作為終端節(jié)點、路由節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點的核心硬件，其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點包括GPRS／GSM傳輸模塊，而終端節(jié)點包括傳感器電路模塊，如圖2所示。

圖2 終端測量節(jié)點結(jié)構(gòu)

2．2 傳感器電路模塊

系統(tǒng)終端測量節(jié)點中的傳感器電路，包括溫度、濕度、雨量、風速、風向、氣壓和光照等7個氣象參數(shù)的檢測電路。其中，雨量和風向分別是通過雨量計和風向傳感器輸出的電壓信號來確定，可由JN5148的內(nèi)置ADC直接采集信號強度即可。但是需要注意的是，傳感器的輸出電壓必須滿足ADC的輸入范圍要求，否則必須增加電壓調(diào)節(jié)電路來線性調(diào)節(jié)到3．6 V以內(nèi)。風速的大小是由傳統(tǒng)杯式風速傳感器輸出的頻率信號來確定，可以直接由計數(shù)器來獲得測量值。因此，僅重點介紹其他4個氣象參數(shù)的傳感器電路。

考慮到測量準確度和系統(tǒng)集成小型化，采用瑞士Sensirion公司的SHT75數(shù)字溫濕度傳感器來測量溫度和濕度。SHT75具有高可靠性和長期穩(wěn)定性，采用全量程標定，兩線數(shù)字接口，可與單片機直接相連，大大縮短研發(fā)時間、簡化外圍電路，而且體積小、響應(yīng)迅速和低能耗，能夠適于野外多種場合的應(yīng)用。SHT75的供電電壓選用3．3 V，在電源引腳之間集成有一個100 nF的濾波電容，而電源VDD與數(shù)據(jù)線DATA之間需要一個10 kΩ的上拉電阻。SHT75僅需要兩根線與處理器的Two Wire Serial Port端口相連，SCK為通信同步時鐘，DATA為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)。電路如圖3所示。當處理器向傳感器發(fā)送命令時，DATA在SCK的上升沿有效且在SCK高電平時必須保持穩(wěn)定，DATA在SCK下降沿之后改變［7－8］。

圖3 溫濕度傳感器電路

大氣壓檢測電路的傳感器采用MS5803數(shù)字式氣壓傳感器。MS5803備有I2C和SPI接口，內(nèi)部集成A／D轉(zhuǎn)換器，可輸出24位壓力和溫度數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換時間最快1 ms，可氣密封裝，尤其適合戶外氣壓及高度測量。MS5803的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由惠斯頓電橋組成傳感器，可檢測絕對壓力，電橋的差模信號經(jīng)放大后由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)數(shù)字濾波后保存在數(shù)字接口的D1和D2中，供主機讀取。系統(tǒng)選用SPI總線與MS5803相連。電路如圖4所示。

圖4 氣壓傳感器電路

光照強度是氣象環(huán)保、環(huán)境監(jiān)測中的重要參數(shù)，系統(tǒng)為了實現(xiàn)對光強的監(jiān)測，選用了TAOS公司生產(chǎn)的光強數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561。TSL2561具有高速、低功耗、寬量程和配置靈活等優(yōu)點，具有直接I2C接口，用于將光照強度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。TSL2561內(nèi)部通道0的光敏二極管對可見光和紅外線都敏感，積分式A／D轉(zhuǎn)換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入芯片內(nèi)部的寄存器中。TSL2561的硬件接口電路很簡單，可以直接使用控制器的I／O端口連接TSL2561的SCL和SDA，利用程序來模擬I2C總線的時序來訪問TSL2561。硬件連接如圖5所示［9－10］。

圖5 光強度傳感器電路

2．3 其他電路模塊

協(xié)調(diào)器節(jié)點、現(xiàn)場路由節(jié)點及終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信采用ZigBee無線技術(shù)實現(xiàn)，但是協(xié)調(diào)器節(jié)點與遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信必須采用遠程數(shù)據(jù)傳輸方式來實現(xiàn)。綜合考慮到氣象監(jiān)測系統(tǒng)分布靈活的特點，同時保證系統(tǒng)的工作可靠性要求，選用了GPRS／GSM的混合通訊方式來實現(xiàn)遠程通信，能夠提供端到端的、廣域的無線IP連接。協(xié)調(diào)器節(jié)點的電路結(jié)構(gòu)如圖6所示［11］。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)

圖6中，JN5148內(nèi)置的UART口與GPRS無線模塊MC55i連接。系統(tǒng)上電后，自動搜索GPRS網(wǎng)絡(luò)，進行注冊并連接。當協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中傳輸過來的數(shù)據(jù)后，即可將協(xié)議封裝的打包數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程的監(jiān)控中心。為保證系統(tǒng)的可靠性，選用GSM作為備用數(shù)據(jù)通道，一旦GPRS網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)堵塞，可以立即啟動GSM短信通道和監(jiān)控中心進行通信。

圖7 監(jiān)控中心下位機結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心部分采用上位機和下位機的構(gòu)成方式，其中，上位機為PC機，下位機由JN5148模塊和MC55i無線模塊構(gòu)成，如圖7所示。JN5148模塊為下位機核心，負責處理數(shù)據(jù)流的傳輸控制，通過2個UART串口分別連接MC55i模塊和上位PC機，MC55i接收到遠程的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過JN5148的預(yù)處理，通過UART串口傳輸?shù)缴衔粰C進行最后的數(shù)據(jù)處理。

考慮到氣象監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點一般分布在野外，同時考慮到布點的靈活性，系統(tǒng)采用方便移動的太陽能供電系統(tǒng)。自然光強度足夠的時候，利用太陽能電板給系統(tǒng)供電，同時給電池充電。光照不足的時候，則利用電池維持系統(tǒng)的正常工作。系統(tǒng)采用的單晶硅太陽能電池板可以提供10 V以上的供電電壓，利用XC6202P系列高穩(wěn)定性電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)3．3 V電壓供電。同時需要注意的是，在系統(tǒng)模塊處于不工作的時候，可以轉(zhuǎn)入低功耗的工作模式，以達到降低系統(tǒng)功耗的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)的軟件部分主要包括傳感器模塊程序、協(xié)議程序和上位機程序。其中，傳感器模塊程序和協(xié)議程序?qū)崿F(xiàn)了控制器對傳感器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)。上位機程序工作于監(jiān)控中心的PC機上，實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。

基于JN5148的各監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的開發(fā)環(huán)境采用Jennic CodeBlocks平臺。這個軟件是Jennic所提供的代碼編輯和編譯環(huán)境，和基于Cygwin的gcc編譯器進行連接完成代碼的編譯工作。Jennic Flash Programmer程序是用來將編譯好的二進制代碼文件下載到控制器板中的工具。802．15．4 Stack組件是ZigBee底層的協(xié)議棧，必須要安裝這個協(xié)議棧。ZigBee Stack協(xié)議棧是Jennic公司的ZigBee協(xié)議棧，如果是從802．15．4協(xié)議棧進行開發(fā)的話，可以不用裝該組件。如果是從ZigBee協(xié)議棧進行開發(fā)，那么就必須安裝這2個協(xié)議棧。

上位機監(jiān)控軟件程序使用Lab VIEW 2012軟件環(huán)境開發(fā)。Lab VIEW使用的是圖形化編輯語言G來編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，其特殊的圖形程序簡單易懂，有利于提高開發(fā)效率及日后的軟件維護。Lab VIEW有一個龐大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。Lab VIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建人機交互界面，其引入的虛擬儀表的概念可以使得用戶能夠通過人機界面直接控制儀器［12－13］。

3．2 系統(tǒng)主要節(jié)點的軟件流程

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點在上電后自動尋找網(wǎng)絡(luò)并加入，其主要任務(wù)是獲得傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的打包發(fā)送。在非工作狀態(tài)下，終端節(jié)點處于休眠模式，以節(jié)省能耗。終端節(jié)點主要軟件流程如圖8所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要任務(wù)是創(chuàng)建管理網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與監(jiān)控中心之間傳輸數(shù)據(jù)，其主要軟件流程如圖9所示。

圖8 終端節(jié)點軟件流程

圖9 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程

4 結(jié)束語

設(shè)計了無線分布式氣象參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，各氣象參數(shù)的采集模塊能夠獨立工作，減少了信號的相互干擾。模塊化的設(shè)計使得系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，各參數(shù)的測量節(jié)點可任意增減，終端節(jié)點經(jīng)過簡單的配置即可加入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，避免了有線傳輸方式安裝維護困難等問題。系統(tǒng)采用JN5148模塊作為核心，使用芯片自帶的ZigBee PRO協(xié)議棧作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間的通信協(xié)議，利用串行接口實現(xiàn)部分功能模塊、下位機和上位機之間的互聯(lián)，維護使用方便。在上位機中，采用Lab VIEW軟件開發(fā)人機界面，實時顯示各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將Zig－Bee無線通信技術(shù)和測量技術(shù)緊密聯(lián)系起來，應(yīng)用于氣象監(jiān)測領(lǐng)域，實時監(jiān)測各種氣象參數(shù)的變化，工作效果達到預(yù)期要求。系統(tǒng)可方便地移植到環(huán)境監(jiān)測、水利監(jiān)測等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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