基于ZigBee無線組網的微型氣象站設計

馮兆宇+崔天時+張志超+呂信超

摘 要：針對傳統氣象站數據采集精度低和建站成本高等缺點，設計了一種基于ZigBee無線組網的微型氣象站，該氣象站以ZigBee技術為依托，構建無線傳感器網絡來完成數據的實時采集、存儲和傳輸。結果表明，ZigBee無線網絡可使微型氣象站建站更簡單、功耗低、采集精度高，從而保證了氣象監測數據的穩定傳輸。

關鍵詞：ZigBee；微型氣象站；無線傳感器網絡；無線組網

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

由于我國面積大，使得氣象監測覆蓋范圍過小，加上傳統的氣象數據采集具有靈活性差、功耗大、穩定性低等缺點，很難得到準確的氣象數據。人們生活水平提高的同時對氣象預報的要求也越來越高[1，2]。當前普遍使用的氣象站各氣象要素之間的監測都相互獨立，系統的開放性和兼容性不高[3]，并且氣象傳感器互換性能差，整個系統龐大，系統功耗大，這就使得傳統氣象站的建站成本高，不宜大規模建站[4]。所以，建立微型氣象站勢在必行，其具有成本低和建站簡單等特點，有利于氣象監測的全面化和提高監測的準確性。

隨著通信技術、傳感器技術和計算機技術的快速發展，無線傳感器技術在許多領域得到廣泛應用[5，6]。ZigBee技術具有組網能力強、功耗低、復雜度低等特點[7，8]，能夠很好地滿足微型氣象站的要求，使氣象數據的采集、傳輸和處理更加簡捷化和智能化。本文采用ZigBee技術搭建無線傳感器網絡，從而完成微型氣象站系統中的氣象要素（風向、風速、溫度、濕度、大氣壓力、雨量等）的采集、傳輸和處理。

1 系統總體結構設計

基于ZigBee無線組網的微型氣象站監測系統把無線傳感器網絡配置成星形網絡，設置一個ZigBee節點為網絡的協調器，其他節點為ZigBee的終端設備。微型氣象站系統中的氣象傳感器模塊把采集到的氣象數據傳輸給ZigBee的終端節點，終端設備在接收到采集的數據后再傳輸給網絡的協調器，協調器將風向、風力、溫度、濕度、降雨量等智能傳感器測量的數據和ZigBee的設備型號傳輸給計算機終端處理，完成整 個氣象數據采集、傳輸和處理的過程。

本系統的總體設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 氣象監測點設計

微型氣象站的監測點設計框架如圖2所示。其中，數據采集模塊是由風力傳感器、風向傳感器、溫度傳感器等氣象要素傳感器組成。傳感器通過I/O接口與通信和處理模塊相連接。

2.2 ZigBee模塊

本系統用的ZigBee模塊是由TI公司推出的CC2530芯片。它支持IEEE802.15.4/ ZigBee協議，是面向短距離自動控制領域設計的無線通信技術標準，工作在2.4 GHz頻段，該頻段是全球統一不需要申請的免費頻道。同時，每個ZigBee網絡節點可以連接三十多個傳感器和受控設備。CC2530芯片集成了8051單片機內核和CC2520射頻芯片的系統芯片，支持低功耗模式。本文選用的是CC2530F256，該芯片集成了256 KB可編程閃存和8 KB RAM，具有各種供電方式下的數據保持能力，并且包含了8路可配置的12位ADC、1個通用的16位定時器和2個8位定時器，以及21個可編程的I/O口，具有極高的靈敏度和抗干擾能力[9]。此外，CC2530芯片只需要極少的外接原件即可形成一個應用系統。因此，基于ZigBee技術的無線傳感器網絡構建簡單，成本低。

3 軟件設計

3.1 PC機控制中心功能設計

微型氣象站監測系統中的各種傳感器采集的數據最終都要傳輸到PC機的中央處理單元，對數據進行分析、管理和顯示，因此，PC機的控制中心平臺應包括初始化、數據采集、組網和數據顯示等功能。具體框架如圖3所示。

初始化模塊用來初始化I/O接口和ZigBee節點，組網模塊根據網絡的拓撲架構搭建系統需要的傳感器網絡。數據采集模塊主要用來設定氣象數據采集的方式，并完成數據的處理和發送，顯示模塊把采集到的數據直觀的顯示出來，以便于分析和管理。

3.2 組建網絡

在組網之前要對每個ZigBee節點進行配置，節點的初始配置在PC機的控制中心進行，傳感器連接到PC機，把初始配置信息寫入每個節點，確定設備的類型，協調器通過設備對象層向網絡層發送網絡形成要求，獲取16位短地址，網絡建成。終端設備發送網絡發現請求，收到網絡發現確認后，發送加入網絡請求，獲取16位短地址。然后發送IEEE地址請求，當被確認后，即完成了綁定。如果要實現多點通信就是將多個終端與協調器綁定，即實現了組網過程。簡而言之，ZigBee無線網絡的軟件流程主要包括設備的初始化，建立網絡，加入網絡，采集數據，發送數據，接收數據，并將數據傳輸給PC機等。ZigBee協調器程序流程圖如圖4所示，終端設備程序流程如圖5所示。

從程序流程圖可以看出，本設計中使系統工作在休眠狀態可以降低無線傳感器的功耗，并定期由定時器進行喚醒，通過縮短系統工作時間來達到降低系統功耗的目的。

4 測試結果

為了測試所設計的微型氣象站系統的效果，在校園內比較開闊的地方安裝放置了本論文設計的微型氣象站，并定期進行數據采集，測試結果是各種氣象元素的數值，如表1所示。同時，在表1列出了來自氣象局的各種氣象元素的數值。可以從表1中看出，微型氣象站監測的氣象元素數值與氣象局的數值相比較沒有太大差別。這也驗證了設計的基于ZigBee無線組網的微型氣象站具有監測精度高、可靠性強等特點，并且建站簡單，成本低。

5 結 語

本文基于ZigBee無線組網技術，設計了一種微型氣象站，把溫度、風力、風向、濕度、雨量等氣象要素的監測值，利用ZigBee技術進行無線傳輸，并設計了PC機控制中心平臺，對氣象數據進行采集、存儲和處理。通過安置微型氣象站監測氣象要素并與來自氣象局的數據進行對比，驗證了微型氣象站監測數據的可靠性和穩定性。實驗表明，基于ZigBee無線組網的微型氣象站具有建站簡單、數據傳輸效率高等特點，符合氣象監測的要求，具有很好的應用前景。

參考文獻

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[4] 胡玉峰.自動氣象站原理與測量方法[M].北京：氣象出版社，2004：12-66.

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