ZigBee無線傳感器網絡在TWP3風廓線雷達系統中的應用

吳維 吳艷鋒 商量 張垚 段士軍 陸雅萍

（1 北京敏視達雷達有限公司，北京 100094； 2北京理工大學，北京 100081）

0 引言

風廓線雷達是利用大氣湍流對電磁波的“散射”作用對大氣風場等物理量進行探測的一種遙感設備[1]。TWP3風廓線雷達是一款邊界層風廓線雷達，支持24 h無人值守全自動運行。雷達狀態信息及機房室內外環境信息的采集與上傳是十分必要的[2]。傳統方案是利用計算機串口，采用RS232或RS422等有線通信協議讀取雷達狀態監視器或每一路傳感器的數據。這種方案存在布線繁瑣、計算機串口數量有限、傳感器數量不易增加等缺點[3]。

萬物互聯的物聯網思想提供了另外的方案，通過建立一個無線傳感器網絡也可以實現狀態信息的感知、識別、監視和應用。針對TWP3風廓線雷達技術特點綜合對比幾種無線網絡方案，ZigBee技術有其獨到之處。

1 ZigBee技術簡介

Z i g B e e 是一種短距離無線通信協議，使用868 MHz、915 MHz和2.4 GHz這3個ISM（Industrial、Scientific and Medical：工業、科學和醫療）工作頻段，可在全球范圍內免費使用[4]。和WiFi相比，ZigBee成本低、功耗低；和藍牙相比，ZigBee傳輸距離長、開發難度小。目前ZigBee無線網絡已經廣泛應用于智能家居、智慧農業、智慧交通、醫院監護、工業自動化等物聯網領域。

1.1 ZigBee 技術體系

ZigBee協議在開放系統互連（Open System Interconnection，OSI）參考模型的基礎上，結合無線網絡的特點，采用分層的思想實現，如圖1所示。

圖1 ZigBee無線網絡各層示意圖Fig. 1 Schematic diagram of each layer of the ZigBee wireless network

可以看出，ZigBee無線網絡共分為5層：物理層、介質訪問控制層、網絡層、應用程序支持子層以及應用層。其中，IEEE802.15.4定義了物理層和介質訪問控制層的數據傳輸規范，ZigBee協議定義了網絡層、應用程序支持子層以及應用層的數據傳輸規范[5]。

1.2 ZigBee 無線網絡拓撲形式

ZigBee技術具有強大的組網能力，可以組成星形、樹形和網狀網[6]，如下圖2所示。

星形拓撲是最簡單的一種拓撲形式，包含一個協調器（Co-ordinator）節點和一系列的終端（ End Device）節點。每一個End Device節點只能和Coordinator節點進行通信。如果需要在兩個End Device節點之間進行通信，必須通過Co-ordinator節點進行信息的轉發。樹形拓撲包括一個Co-ordinator以及一系列的Router（路由器）和End Device節點。Co-ordinator連接一系列的Router和End Device，它的子節點的Router也可以連接一系列的Router和End Device，這樣可以重復多個層級。網狀拓撲（Mesh拓撲）包含一個Coordinator和一系列的Router以及End Device。這種網絡拓撲支持路由節點之間直接通信，一旦某個路由路徑出現問題，信息可以自動沿其他路由路徑繼續傳輸[7]。

星形和樹形網絡適合單點對多點、距離相對較近的應用。Mesh網狀網絡支持復雜的網絡組合，可以覆蓋更廣闊的范圍以及更多的設備[8]。

圖2 ZigBee3種網絡拓撲結構Fig. 2 Three network topologies of the ZigBee

2 TWP3風廓線雷達ZigBee無線傳感器網絡組建

結合TWP3風廓線雷達的特點，選擇組建星形網絡。主控計算機作為協調器，雷達狀態監視器、室內外環境信息采集板分別作為3個終端節點。

2.1 ZigBee 無線通信電路板的設計及室內外環境信息檢測的實現

組建ZigBee無線傳感器網絡，需要有相關硬件和軟件支持。硬件方面，美國TI公司SimpleLinkTM平臺推出了支持ZigBee協議的CC2538芯片，這是一枚基于ARM Cortex-M3內核的單片機片上系統（SoC），強大的計算能力以及豐富的外設，使得此芯片特別適合數據采集及控制方面的應用。軟件方面，TI公司也推出了相應的Z-stack協議棧[9]。只要在編寫CC2538芯片程序時集成并調用Z-stack協議棧的函數，就可以設定電路板在無線傳感器網絡中的類型，實現無線通信，同時可以利用芯片上的外設實現信息采集和控制的功能。

TWP3風廓線雷達室內環境信息包括溫度、濕度以及煙霧報警這3個變量。室外環境信息包括溫度、煙霧報警和GPS信號這3個變量。綜合考慮TWP3風廓線雷達的無線傳感器網絡需求，利用CC2538芯片設計一塊電路板，預留溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧報警器以及RS232的接口，其中RS232接口可以和GPS傳感器、狀態監視器或者主控計算機通信。為了增加靈活性，此電路設計為直流電源或電池雙供電模式。得益于CC2538芯片的超低功耗特性，作為終端節點使用時，采用4節5號電池供電，此電路可以工作半年以上時間[10]。

設計的ZigBee無線通信電路板功能框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee無線通信電路板功能框圖Fig. 3 Functional block diagram of ZigBee wireless communication circuit board

TWP3風廓線雷達進行室內外環境信息檢測時，室內外各放置一塊ZigBee無線通信電路板，根據需要連接相應傳感器，即可實現預期功能。程序方面，需要將負責室內外環境信息檢測的電路板設置為網絡終端節點。

2.2 狀態監視器的改造

TWP3狀態監視器負責采集雷達自身狀態信息，包括交流電電壓、模擬電路直流電壓、數字電路直流電壓及雷達各個模塊的狀態信息。以前狀態監視器電路通過RS232串口和計算機串口進行通信，現在令狀態監視器電路通過RS232串口將信息傳給ZigBee無線通信電路板，再由ZigBee無線通信電路板加入無線傳感器網絡。這種方案，硬件電路方面幾乎不用修改，軟件程序方面，需要將與狀態監視器相連的ZigBee無線通信電路板設置為網絡終端節點。TWP3狀態監視器作為網絡終端節點的框圖如圖4所示。

圖4 TWP3狀態監視器作為網絡終端節點Fig. 4 TWP3 status monitoring unit as network terminal node

2.3 主控計算機的改造

室內外環境信息檢測電路板和狀態監視器都被設置為網絡終端節點，ZigBee無線傳感器網絡中的協調器就由主控計算機擔任。將ZigBee無線通信電路板設置為協調器，通過RS232串口與計算機串口相連，計算機可以像使用串口一樣通過ZigBee無線通信電路板讀取網絡終端節點的數據。

2.4 無線傳感器網絡工作流程

ZigBee無線傳感器網絡協調器和終端節點的工作流程如圖5所示。

主控計算機通過網絡協調器輪詢狀態監視器、室內、外環境信息檢測電路，就可以得到所需的信息。鑒于這些信息重要性和優先級不同，狀態監視器的信息每2 s讀取一次，室內環境信息每分鐘讀取1次，室外環境信息每5 min讀取1次。對于采用電池供電的電路，可以令CC2538間歇進入低功耗模式，這樣可以顯著延長電池的使用壽命[10]。

3 ZigBee無線傳感器網絡在TWP3風廓線雷達應用效果

在實際應用中，ZigBee無線傳感器網絡每小時的通信次數就可以達到上千次。一個月的試用期內，即使天氣條件惡劣，ZigBee無線傳感器網絡也能將數據穩定、可靠地上傳至主控計算機。對于電磁兼容問題，一方面，TWP3風廓線雷達接收通道前端配置（1290±2） MHz的腔體濾波器，中頻放大器后端配置（60±1） MHz的LC濾波器，ZigBee的頻譜不會影響雷達工作；另一方面，雷達自身發射頻譜也被有效控制，雷達發射機靜態噪聲＜110 dBm/MHz，雜散＜60 dBm，雷達也不會影響ZigBee無線傳感器網絡[11]。實際使用中，TWP3風廓線雷達通過WPCS軟件讀取ZigBee無線傳感器網絡的數據，如圖6所示。

4 結論

圖5 ZigBee無線傳感器網絡協調器和終端節點的工作流程Fig. 5 Workflow of the ZigBee wireless sensor network coordinator and terminal node

圖6 WPCS軟件讀取ZigBee無線傳感器網絡的數據Fig. 6 Data reading from the ZigBee wireless sensor network using the software WPCS

ZigBee無線傳感器網絡是實現物聯網的方案之一。通過在TWP3風廓線雷達應用ZigBee無線傳感器網絡，解決了傳統方案布線繁瑣、計算機串口數量有限、傳感器數量不易增加等問題。實際使用中還發現，某些風廓線雷達和自動氣象站相鄰，而某些自動氣象站或站內某些探測設備也支持ZigBee無線網絡協議[12]。將自動氣象站的信息和雷達的信息互相融合，綜合處理，會不會產生新的應用和收獲？萬物互聯的物聯網，一定會助力氣象設備取得新的發展。