無線網絡交通氣象站風速測量系統設計

陳康奇，唐慧強

（南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044）

風速測量在氣象預報、環境監測、風力發電、航空航天等領域中有著重要意義，依靠人工觀測采集和記錄氣象數據在時效性、可靠性等方面都存在不足，更難適應惡劣環境下的觀測要求。

無線傳感網絡相比傳統的有線傳輸模式有更多優勢。ZigBee技術具有組網能力強、復雜度低、功耗低、可靠性高等特點[1]，能很好滿足交通氣象站無線聯網的要求，它使氣象要素的采集和管理更加便捷和智能化，提高了各個節點相互通信的能力，增強了網絡的實用性和可靠性，而系統的使用和維護成本卻很低。

測量風速通常有機械式、超聲波式、壓力式等多種方法。傳統的機械式風速測量系統工作原理簡單，但存在機械磨損，需要定期維護；超聲波式風速儀精度較高，易受降水等因素影響；皮托管具有結構簡單，測量精度高的特點，一般作為標準風速檢測裝置[2]。交通氣象站風速測量系統以Atmega128單片機和CC2420無線傳感模塊為核心，采用風壓式原理設計，把傳感器采集到的風速相關量（包括風壓、氣溫和氣壓）匯總處理，并通過CC2420定時向網絡中的采集通信節點發送數據。

1 系統工作原理概述

測量系統由皮托管感應風速，其輸出的風壓信號通過差壓傳感器檢測[3]。S型皮托管是由兩根結構相同的金屬管定向焊接而成，它的測端制成方向相反的兩個相互平行的開口，分別為全壓口和靜壓口，根據流體力學伯努利方程，在穩定的流場中有以下關系，

其中，P0為靜壓，ρ為空氣密度，V為風速，P為全壓。上式經變換得

ΔP是皮托管得到的差壓，由上式可以推出空氣流速和皮托管測得的差壓間的關系，即：

式中ξ為皮托管的校準系數。由于空氣密度與大氣壓、氣溫有關，

系統在采集皮托管差壓的同時還需采集氣壓和氣溫。在交通氣象站中，已具有氣壓及氣溫要素的無線傳感器測量節點，可以直接通過網絡取得。為提高系統的適應性，這里設計了備用的風速測量用氣壓及氣溫檢測電路。

圖1是整個交通氣象站結構圖，本系統負責測量風速相關量，數據通過無線模塊CC2420發送給數據收集器，數據收集器可以和PC機通信，把各種氣象數據匯總到交通氣象站數據采集系統，也可以通過GPRS發送給手持設備實現移動觀測[4]。

圖1 交通氣象站結構Fig.1 Structure of traffic meteorological station

2 系統硬件設計

系統硬件設計包括傳感器節點電路和數據通信電路的設計，圖2為系統的硬件連接圖。

圖2 系統硬件連接圖Fig.2 Diagramofhardware connection

整個硬件結構包括傳感器模塊、A/D轉換模塊、MCU主控模塊、CC2420無線通信模塊和電源模塊[5]。主控芯片采用ATMEL公司的AVR單片機Atmega128，它是一款基于RISC結構的8位高性能、低功耗CMOS微處理器，內部帶有128 kB可編程Flash程序存儲器、4 kB的EEPROM和4 kB的SRAM。傳感器分為模擬輸出型和數字輸出型，其中采集風速的差壓傳感器輸出為模擬量，需要經過模數轉換送至單片機，溫度、氣壓傳感器都為數字量輸出。CC2420負責把單片機處理好的數據發送給網絡中的接收節點。在這里采用MCU與通信模塊分離的方案可以降低MCU的負擔以提高處理風壓數據的速度。

2.1 傳感器節點電路

采集風速的差壓傳感器選用了ICSensors的33A－001D型微差壓傳感器，它是一款自帶溫度補償功能的硅壓阻式傳感器，支持在－40～＋125℃的大范圍環境溫度下工作，具有較高的靈敏度和測量精度。雖然Atmega128自帶10位A/D轉換，為了提高系統測量精度，用了精度更高的ADS1254，它是TI公司生產的24位Δ－∑型模數轉換器，支持8通道輸入，動態響應范圍大，功耗低，有效精度為19位，最高轉換速率可達20 kHz。

差壓傳感器和ADS1254連接如圖3，虛線框中為差壓傳感器內部結構，輸出電壓信號先通過運放放大，再接至ADS1254的差分輸入端，這樣能更精確地采集到風速對應的壓力值。差分信號的放大由OPA2277集成運放完成，OPA2277是一款高精度雙運算放大器，輸入失調電壓溫漂系數為0.1 μV/℃。為了使A/D轉換芯片有一個穩定的基準電壓，ADS1254的參考電壓輸入端VREF連接到一片MCP1541，該芯片是Microchip公司的低噪聲、低溫漂、高準確度基準電壓芯片，可以提供4.096 V穩定電壓。ADS1254由5 V供電，差壓傳感器輸出接至差分輸入通道1，CLK引腳控制芯片工作頻率，DOUT和SCLK引腳完成與Atmega128的通信，CHSEL0和CHSEL1是采樣通道選擇引腳，這里只用到通道1，將這兩個引腳接地即可。

圖3 差壓傳感器和ADS1254的連接Fig.3 Connection of differential pressure sensor and ADS1254

為提高系統的適應性，增加了備用的氣壓和溫度采集電路。采用了瑞士Intersema公司的高精度、低功耗數字氣壓傳感器MS5561－C，芯片內部集成了16位模數轉換器，可以同時采集大氣壓和溫度，工作電壓2.2～3.6 V，測量范圍為10～1 100 mbar，靈敏度 0.1 mbar，工作溫度為－40～＋85 ℃，采用類似SPI的三線接口和處理器相連。芯片還自帶六系數的軟件補償算法，可以有效提高低溫和高溫環境的抗干擾能力。

2.2 數據通信電路

CC2420是Chipcon公司開發的一款適用于ZigBee產品的射頻收發器，符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 kb/s，可以實現多點對多點的快速組網。CC2420與處理器的連接十分方便，如圖4所示，通過SPI接口交換數據，接收來自處理器的命令，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA4個引腳表示收發數據的狀態。

3 系統軟件設計

系統在AVR單片機集成開發環境Win AVR下使用C語言編程和調試，采用結構化的程序設計方法，增加了軟件的可讀性，便于修改和維護，并可通過JTAG接口下載和調試。整個程序包括：主處理器模塊、數據采集模塊、無線傳輸模塊、上位機通信接口模塊等，數據采集模塊用于采集風壓、溫度和大氣壓，并把模擬量風壓轉化為數字量；主處理器模塊負責接收采集到的數據、暫存并計算出一定時刻的風速值；無線傳輸模塊完成節點組網、信息傳輸和信息安全等任務，其中信號采集部分通過調用相應的子程序完成，測量節點流程圖如圖5所示，系統設定了200 ms的采樣時間，每隔200 ms完成一次采樣，達到一定次數后進入空閑模式，在保證數據時效性的前提下把系統功耗降到最低。

圖4 CC2420和Atmega128的連接Fig.4 Connection of CC2420 and Atmega128

圖5 測量節點流程圖Fig.5 Flow chart of sensor node

4 結束語

整個系統采用壓力式測量原理，以高性能AVR單片機Atmega128和基于ZigBee的無線傳感模塊CC2420為核心，以皮托管和差壓傳感器作為主要檢測元件，通過采集風速相關數據并自動發送到無線網絡[8]中的數據收集器節點，實現了交通氣象站的智能化、高精度風速測量。選用的24位模數轉換器ADS1254、Atmega128和CC2420，都具有高性能、低功耗的特點。系統在0～40 m/s風速范圍內進行了多次實驗，測量結果顯示系統運行穩定，測量誤差較小，可以滿足交通氣象觀測使用要求。

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