一種基于Zig Bee的新型智能氣象站設計*

龔高超，馬啟明，黃啟俊，孫 洋，苑尚博

(1.武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072； 2.中國科學院 電工研究所，北京 100190)

一種基于Zig Bee的新型智能氣象站設計*

龔高超1,2，馬啟明2，黃啟俊1，孫 洋1，苑尚博1,2

(1.武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072； 2.中國科學院 電工研究所，北京 100190)

根據氣象站升級需要，介紹了一種新型智能氣象站。硬件上采用模塊化設計方法，每個采集器為一個單獨模塊，大大減少維修難度和維護成本。摒棄傳統有線的傳輸方式，采用Zig Bee無線組網技術，使新型氣象站沒有傳輸布線成本。堅持低功耗的設計思路，并采用太陽能供電為主電源與鋰電池供電相結合，不再需要接入外接電源，布站簡單，運行可靠，維護方便。現已在江西南昌建立了一套新型智能氣象站實驗站進行運行比對試驗。

智能氣象站；Zig Bee；低功耗；太陽能供電

0 引 言

目前,國內的自動氣象站技術水平落后，設備穩定性、擴展性差。現急需依據地面氣象觀測規范[1]，對現有自動氣象站進行智能化改造，并以高精度智能溫度傳感器為代表，研制測量精度更高、穩定性更強、具備設備狀態信息與數據質量輸出參數新一代智能氣象站。

本文提出的新型智能氣象站是在原有氣象站的基礎上，引入數字溫度傳感器，超聲風傳感器這些新技術傳感器[2]；使用太陽能供電取代原來的市電供電，節約布線成本；結合當前物聯網技術的迅速發展，提出采用Zig Bee無線組網技術實現數據傳輸[3]。

1 結構設計

1.1 系統結構設計

系統由傳感器和數據采集單元兩大部分組成(圖1)。傳感器主要包括風向風速傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器、地溫傳感器等；數據采集單元是由硬件和軟件組成的嵌入式數據采集板。各種前端傳感器信號傳入后端的數據采集單元，根據特定的算法、輸出格式等將測量數據通過Zig Bee無線方式輸出。

1.2 傳感器選取

地溫傳感器選用ANALOG DEVICES公司的集成的數字溫度傳感器ADT7410，采用數字芯片，觀測精度高，一致性好，設計簡單。溫濕度傳感器選用ROTRONIC公司的氣象類溫濕度探頭HC2—S3，其氣象類溫濕度探頭很適合氣象臺站的應用。氣壓傳感器選用VAISALA公司的PTB220，VAISALA公司是芬蘭著名的工業測量儀器設備制造商，其生產的氣壓傳感器長期穩定性好，精度高。風速風向采用中環天儀的一體風EL18和華云公司的杯式傳感器EL15—1A，并可選配VAISALA公司的超聲風傳感器WMT52。前兩種一體風傳感器和杯式風傳感器目前已經廣泛用于氣象臺站，為了與最新技術接軌，本系統設計選配了VAISALA公司新型的超聲風傳感器，該傳感器無運動部件，壽命長，低功耗，高穩定性。雨量傳感器選用目前業務上使用的翻斗式雨量筒，并具有0.1，0.5 mm兩種測量量程，確保測量數據精度。環境溫度測量采用Pt1000探頭[4,5]，該探頭相較于目前更普遍的Pt100探頭，可測溫度范圍更廣，精度更好。

圖1 系統結構Fig 1 System structure

2 模塊硬件設計

2.1 模塊設計框圖

本設計采用太陽能供電，在達到設計性能要求的情況下應盡量降低功耗，MCU選取選用TI公司的型號是MSP430F149單片機。實驗結果表明，該MCU完全滿足設計的性能要求，并且功耗優于預期設定。

如圖2所示，每個模塊硬件包含高性能的嵌入式處理器MSP430、高精度的實時時鐘電路、數據存儲器、傳感器接口、RS—232通信接口、監測電路等。綜合考慮速度、功耗、環境要求，電路具有獨立的Watchdog確保運行安全性；通信接口包括1路RS—232(可選用)和Zig Bee無線傳輸模塊。

圖2 模塊設計框圖Fig 2 Module design block diagram

2.2 電源管理系統

高效穩定可靠的電源是系統穩定運行的前提，本系統采用最大設計功率5 W的太陽能電池作為主電源，此太陽能電池板對一個3節串聯的3700 mAh鋰電池(充滿12.6 V)進行充電提供電源并使用單節800 mAh鋰電池(充滿4.2 V)作為備份電源。電源管理分三部分：太陽能電池高效的充放電管理電路，電源供電電路，備份電源充放電和自動切換電路。

太陽能充放電管理采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術[6]，檢測主回路直流電壓與輸出電流，計算出太陽能電池的輸出功率，并實現對最大功率點的追蹤。主電路采用BUCK電路拓撲，主要由光伏電池、功率器件、濾波電感器、電容器、續流二極管、蓄電池組成，主電路拓撲如圖3。

圖3 MPPT充電控制原理Fig 3 Charge control principle of MPPT

系統工作電壓為3.3 V，供電電壓為12 V太陽能電池，如圖4，采用TI公司的TPS54231，該芯片采用BUCK拓撲結構，具有100 mA的ECO-MODE，并且靜態工作電流僅為110 μA，可在輕載時也提供很高的轉換效率(12 V輸入時輕載轉換效率大于80 %)，這點是絕大部分同類型的DC-DC轉換芯片無法達到的，很適合作為對效率要求較高的輕載系統使用。

圖4 電源供電電路Fig 4 Power supply circuit

備份電池充放電采用線性充放電設計，具有完備的預充電，恒流充電和涓流充電過程，能智能檢測電池當前的狀態，當備份電池故障時，系統會發出故障信息。備份電池在主電源出現故障時為系統提供電能，整個過程自動切換無需人工干預，且切換速度極快，不會對系統正常運行造成任何影響。

2.3 外圍電路設計

模塊外圍電路包含本地實時時鐘，本地數據存取，LCD顯示接口，環境溫度監測，串口調試、數據發送和獨立看門狗電路。本地實時時鐘采用MAXIM公司的DS3231M，該芯片集成微機電系統(MEMS)[7]，提高了器件的長期準確性并減少了電路的元器件數量。本地數據存儲采用目前程序存儲常用的32 Mbit SPI接口Flash，它相對Nand Flash來說數據可靠性提升很多，容量則遠遠大于EEPROM，兼顧數據安全與數據存儲量。系統每個模塊均預留LCD12864顯示接口，接入常規的LCD12864顯示屏即可顯示相關數據或者參數。環境溫度檢測采用單總線芯片DS18B20，電路設計簡單、實用。MCU預留一個專門的調試及數據測試或數據發送端口，采用RS-232C電平標準，使用MAX3232E進行電平轉換。為了保證電路運行穩定可靠，所有電路采用外部看門狗設計，外部看門狗使用獨立的外部時鐘，實時監控MCU運行，保證程序運行的可靠性。

2.4 傳感器信號前端處理電路

由于每個模塊對應的傳感器不同，所需要的處理電路也不同。數字溫度傳感器采用I2C總線方式通信，無需特殊的處理電路，直接通過總線送入MSP430。Pt 1000溫度傳感器本身為電阻器，采用線性化的4～20 mA電流發送器，再使用基準電阻器，通過16 bit高精度AD采樣得到采樣數據進行處理。溫濕度輸出為0～1 V模擬量，通過濾波后經一個高精度AD采樣采集數據。一體風傳感器和杯式風速傳感器其風速通過波形處理和電平轉換再通過MSP430中斷計數，風向為8位格雷碼通過電平轉換后送入MSP430解碼[8]。超聲風傳感器和氣壓傳感器本身已經處理過數據，其數據通過串口通信獲取。翻斗式雨量傳感器脈沖通過一級單穩態多諧振蕩器濾除干簧管噪聲再送入MSP430中斷計數，如圖5所示，經過該電路濾波后，信號輸出為固定寬度脈沖輸出。

圖5 單穩態多諧振蕩電路Fig 5 Circuit of monostable multivibrator

3 模塊軟件設計

3.1 數據采集與處理軟件流程

數據采集與處理均通過MSP430單片機進行，其整體流程如圖6所示。程序上電初始化之后，單片機判斷當前是否需要進行傳感器數據采集，若不需要，則進入低功耗模式，等待數據采集指令；若當前需要數據采集，則單片機采集當前傳感器數據，實時時鐘信息和環境監測信息，然后判斷采集的數據是否為有效數據；若非有效數據，則登記當前數據狀態，并判斷是否出現故障；若沒有故障則丟棄當前數據重新等待數據采集，如果發現故障，生成故障數據，進行本地存儲，顯示，并通過Zig Bee上傳至上位機軟件；如果采集的數據有效，則通過數據解析，處理，打包并進行質量控制，然后按照國家氣象規范生成相應的數據幀或狀態幀數據，同樣對數據本地存儲，顯示，并通過Zig Bee上傳至上位機。

圖6 單片機控制流程Fig 6 MCU control flow diagram

3.2 Zig Bee無線發送流程

本系統采用Jennic第二代無線微控制器的低功耗Zig Bee通信模塊JN5139，圖7為Zig Bee無線發送流程圖，主程序在上電后，開始程序初始化，搜索并建立網絡，并保存網絡狀態參數。數據發送時通過MSP430發送請求信號中斷喚醒Zig Bee，Zig Bee重新建立網絡連接之后，向MSP430回復準備發送狀態；然后通過串口接收需要發送的數據，發送給協調，并等待協調通信結束指令，如果協調確認結束當前通信，則Zig Bee進入休眠模式；如果協調要求下發設置指令，則Zig Bee節點把當前指令發回給MSP430處理，然后再進入休眠。

圖7 無線數據發送流程Fig 7 Wireless data transmission process

4 系統測試

4.1 系統性能測試

表1是每個模塊正常工作時的功耗，電路設計供電電壓為9～27 V，推薦供電電壓12～24 V，功耗測試只針對推薦供電電壓進行測試，由于一體風傳感器和氣壓傳感器本身功耗大，故這兩個模塊工作時功耗較大。表2為模塊功能測試，在工業級的工作范圍內，測試結果表明每個模塊所有功能運行正常，符合設計要求。

表1 模塊功耗測試結果(20 ℃)Tab 1 Results of module power consumption test (20 ℃)

表2 模塊功能測試(-40～60 ℃)Tab 2 Functional test of module (-40～60 ℃)

4.2 組網與建站測試

在一個Zig Bee網絡中，一般有3種設備類型，Coordinate(協調)、Router(路由)以及End-Device(終端)。這3種設備類型相結合，共同構成了3種通信網絡結構，即星型網絡、樹形網絡、Mesh網絡。

為了實現低功耗傳輸的目的，去掉了無法休眠的Router節點，采用了簡化的星形網絡。中心站的PC與Zig Bee的Coordinate連接，雨量傳感器、低溫傳感器、風向風速傳感器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、Pt1000溫度傳感器作為每個End-Device節點，傳感器的數據由單片機發送到Zig Bee芯片。所有的節點都僅僅和中心站的Coordinate 直接通信，而不經過另外的Router 來轉發數據。此時，Coordinate 是所有End-Device的數據匯聚中心，任何終端發送的數據，中心都能夠收到，而中心站發送的數據為廣播包，每一個End-Device終端都會收到數據。

表3為南昌實驗站2014年2月19日當天的數據報到率，可以看出，整體上無線傳輸狀況良好，不過仍然存在部分數據丟失問題，這需要對無線傳輸進行總結改進。

表3 南昌實驗點一天數據報到率(2014.02.19)Tab 3 Data arrival rate in Nanchang experimental station(2014.02.19)

5 結 論

本系統采用了物聯網的設計思路，研究基于Zig Bee協議的無線物聯網組網技術并用于業務實踐。相對于傳統的氣象站，新型智能氣象站從傳感器的選用、信號處理電路、通信方式及供電方式等方面進行了技術升級。通過南昌實驗站點可以看出：新型智能氣象站基本實現了正常運行，但仍存在部分數據缺失問題，這需要對無線傳輸進行改進和技術提高。

[1] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京:氣象出版社,2003:103-108.

[2] 張世昌,楊家鋒,妙娟利.WMT52超聲風傳感器與EL15A風傳感器野外探測資料對比分析[J].陜西氣象,2010(3):25-26.

[3] 張 粵,倪桑晨,倪 偉.基于智能傳感器網絡的環境信息監測系統設計[J].傳感器與微系統,2012,31(2):140-142.

[4] 易先軍,文小玲,劉翠梅.基于鉑電阻的溫度高精度測量研究[J].傳感器與微系統,2009,28(1):49-55.

[5] 張 瑜,張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統設計[J].傳感器技術學報,2010,23(3):311-313.

[6] 吳俊娟,姜一達,王 強,等.一種改進的光伏系統MPPT控制算法[J].太陽能學報,2012,33(3):478-483.

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[8] 王則林,吳志健.格雷碼混合遺傳算法求解0_1背包問題[J].計算機應用研究,2012,29(8):2906-2908.

Design of a new type intelligent weather station based on Zig Bee*

GONG Gao-chao1,2, MA Qi-ming2, HUANG Qi-jun1, SUN Yang1, YUAN Shang-bo1,2

(1.School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Introduce a new type of intelligent weather station to satisfy the update need.Hardware uses modularization design method,each collector can be an individual module to reduce repairing difficulty and maintenance cost remarkably.By abandoning traditional wire transmission mode type and using Zig Bee wireless networking technology,new type weather station doesn’t have cost of transmission wiring.Insist on low power consumption design idea,the weather station takes combination of solar-powered and lithium battery,so,it doesn’t need external power source and the station distribution can be easy,it can run stably and maintained conveniently.Recently,a set of intelligent weather station has been set in Nanchang to compare with traditional station system.

intelligent weather station；Zig Bee；low power consumption；solar-powered

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0087—04

2014—03—22

國家公益性行業(氣象)科研專項經費資助項目(GYHY201006049)

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0087—04

龔高超(1988-)，男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向為智能傳感器與物聯網。