基于ZigBee的网络化自动气象站的研制

1、PAGE PAGE 7基于ZigBee的网络化自动气象站的研制常州交通技师学院 王伟地址：常州怀德南路38号邮编：213016（字数 3100）摘要 本文介绍了以JN5121模块及ADS1218模数转换器等电路构成传感器节点，采用数据集中器采集各节点的检测数据，并利用GPRS传输到远程主机的数据库中。系统具有结构简单、精度高、功耗低等特点，实现了各传感器节点的即插即用以及测量数据的网络化传输。关键词 自动气象站 Zigbee协议 传感器节点中图分类号 TP274.2 文献标识码 ADevelopment of Network Automatic Meteorological Station B

2、ased on ZigBee Wei Wang(, Changzhou 213000, China )Abstract: The development of automatic network meteorological station based on ZigBee is introduced and the data is sent by the wireless network. This device could get work with simple structure, high accuracy and low power consumption. Keywords: Au

3、tomatic metrological station; Protocol of ZigBee; ADS1218引 言目前，我国主要依靠人工方式进行气象观测，其观测数据大部分仍采用传统的有线方式传输。受地理位置与地形条件的影响，灾害性天气的监测存在很大的难度，无法满足地面观测系统自动化、遥测化的发展要求，而且气象测量要素的增减以及气象仪器的更新也较复杂。1本文根据总线式数据采集系统的原理，设计了一种基于Zigbee短距离传输协议的网络化自动气象站。这种气象站中传感器之间无需通信线路，并实现了多种测量要素的即插即用，可以缩短观测时间间隔，提高了气象观测资料的时间密度,以加强对天气系统，特别是中

4、小尺度天气系统和灾害性天气系统的监测能力。工作原理ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4标准定义了MAC层和PHY层的协议标准，而ZigBee协议栈则定义了网络层、应用层和安全服务层的标准。传输距离近、传输速率低、功耗小、价格便宜，适用于多要素观测的联网，可以嵌入到各种设备中去2。本系统采用了JN5121无线传输模块。该模块配备了IEEE802.15.4 MAC层软件或ZigBee网络协议栈，还提供了访问JN5121芯片的全部数字和模拟接口能力。整个网络化自动气象站系统分为以下三个模块：基于ZigBe

5、e的网络化传感器节点模块、基于ARM的数据集中及GPRS通信模块、远程主机及数据库模块。其基本结构如图1所示。图1 自动化气象站的基本模块气象站主要有温度、湿度、气压、雨量、风向和风速等气象要素，考虑到自动气象站的工作环境，采用了太阳能电池供电，这就要求系统具有较低的功耗，直接利用ZigBee模块中自带的32位处理器对采集信号进行控制处理。来自传感器的信号经过放大、模数转换以及处理，并通过ZigBee协议打包后，通过JN5121模块实现与主节点之间的通信。最后由数据集中器通过GPRS的方式将整理好的数据上传到远程主机的中央数据库中，配合相应的业务软件完成自动气象站的观测任务。 传感器节点图2给

6、出了温度传感器节点的电路原理，温度传感器PT100在恒流源激励下把温度转化为电压信号,并通过ADS1218的模拟输入通道AIN0和AIN1组成的差分输入通道传送给A/D转换器。经过模数转换后的信号由JN5121模块中的处理器进行数据处理，根据ZigBee协议进行打包后，通过无线传感网络发送出去。模块中预留了RS232通信接口，用于与主机之间的串口通信、调试。图2 传感器节点电路ADS1218是TI公司的一款高性价比的A/D转换器。具有8通道24位的模数转换器，其有效转换结果最高可达到20位左右，而且功耗很低，完全能够满足自动气象站的工作要求，ADS1218还提供了2.5V的基准电压、可编程恒流

7、源等功能。为提高测量的精度，系统采用了Pt100电阻四线制的接法。Pt100的激励电流由ADS1218产生，保证流过Pt100电阻上的电流为恒定为1mA左右。数据集中及通信模块在数据集中模块中，采用了Phlip公司的基于ARM7的LPC2148微处理器作为硬件的核心，采用了uC/OS-II作为软件开发平台，提高了软件设计的效率和系统的实时性3。LPC2148内有512K的flash存储器以及32K的RAM和USB2.0接口。选用了广州致远电子公司的外置GPRS无线模块(DTU)，内部集成了PPP 和TCP/IP协议，通过ZWG-22A与上位机构成完全透明的数据通道。ZWG-22A提供了标准的R

8、S232串行接口，将信号进行电平转换后，进行全双工通信。数据集中及通信模块的框图3如所示。图3 数据集中及通信模块构框图系统的软件实现系统通过ZigBee协议栈所提供的用户程序接口来实现整个程序的开发。基本的工作流程图如图4所示。 图4 数据采集工作流程图系统上电后，运行主程序，对各模块初始化，并开放相应中断。传感器节点在定时唤醒后，检查数据集中模块是否有任务请求命令。如果有，则采集数据并发送；如果没有，则将采集到的数据进行暂存；数据集中模块在接收到返回的数据后，通过GPRS上传到中心数据库。4通过远程主机可以得到相应的观测结果，如图5所示。图5 测量数据显示结果在远程主机端，采用了MSCOM

9、M (Microsoft communication control)来实现与底层数据的通信，并通过事件驱动的方式实现串口通信。为节约系统开销，采集到的数据都通过上位机来进行显示，对各观测项目按类别进行分析，生成温度/湿度图、风速图等，如图6所示。图6 温度查询系统6 结束语基于ZigBee的自动气象站在网络化模式下实现了各测量模块的即插即用，并可以通过数据集中及通信模块的GPRS实现远程数据的传送。由于系统组网方式灵活，可方便改进并推广到其它数据测量应用中。本文将ZigBee协议应用到自动气象站的设计中，实现了模块间数据的无线收发，可以取代传统有线式数据的传输，提高了自动气象站的适应能力。参

10、考文献1 Nia-Chiang Liang, Ping-Chieh Chen,Tony Sun. Impact of Node Heterogeneity in ZigBee Mesh Network Routing. IEEE International Conference on System, Man, and Cybernetics 2006 October 8-112 曹禛,曹长修,唐小军. 基于ZigBee技术的无线抄表系统设计及应用 自动化博览 2006-13 刘晓宁,黎峰. ZigBee技术在无线监控系统中的应用研究 2006年通信理论与信号处理年会会议论文集 2006-104 Wan-Ki Park, Chang-Sic Choi etc. Design and implementation of ZigBee based URC Applicable to Legacy Home Appliaces.