基于ZigBee技术的气象参数监测系统设计

夏江涛

（南京信息工程大学物理与光电工程学院，江苏 南京210044）

0 引言

近年来，全球气候异常现象越来越显著，其引起的经济损失日益严重。地面气象观测的气象参数的实时性对人类生产生活有着重要的影响。同时，为了准确掌握一定区域内的气象参数分布特征，则需要在监控区域内布置许多监控节点。传统的自动气象站节点采用的是多传感器连接在同一采集板上的体系结构，大量的信号线不仅带来信号的衰减和干扰，也限制了数据采集点布置的灵活性。尤其是在许多环境复杂多样的野外区域内，不适合架设通信线路，这样就限制了传统自动气象站的使用［1－3］。因此，利用ZigBee技术和GPRS／GSM 技术，构建了分布式无线监测网络系统，解决了传统气象站有线传输的相关问题。

1 系统设计

系统主要由监控中心、协调器节点、现场路由节点和终端节点等组成。所有的节点组成一个网状的监测系统，其中，终端节点控制其上的相应传感器对环境参数进行数据采集，通过ZigBee PRO协议传输数据到现场路由节点，路由节点负责将各个终端节点传送来的数据传输到协调器节点，而协调器节点负责向远程的监控中心传送数据信息，同时也可以获得监控中心发送来的指令信息并传送给路由节点和终端节点。监控中心位于整个系统的最上层，负责与各个远程现场的协调器节点进行数据通信，接收处理数据信息或发布控制指令。系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 系统网络拓扑结构

2 系统硬件设计

2．1 节点核心芯片

JN5148是高性能的无线SOC表面贴装模块，对IEEE802．15．4与ZigBee PRO的应用具有针对性。JN5148自带ZigBee PRO软件构架，可以在现有的平台上定义各自的应用方式，减少开发难度。ZigBee PRO协议栈的每一层初始化后，系统就进入低功耗模式，等待中断到来唤醒系统而进入处理机制，适合于现场测量系统节点的应用需求。

JN5148模块提供了大存储、高性能CPU、超低功耗和优异无线RF包括在内的全面解决方案。模块集成设备丰富，包括3个定时／计数器、4路12位ADC、2路12位DAC、21个通用I／O口等硬件资源，足够满足大部分网络节点的硬件需求［4－6］。

系统采用JN5148模块作为终端节点、路由节点及协调器节点的核心硬件，其中，协调器节点包括GPRS／GSM传输模块，而终端节点包括传感器电路模块，如图2所示。

图2 终端测量节点结构

2．2 传感器电路模块

系统终端测量节点中的传感器电路，包括温度、湿度、雨量、风速、风向、气压和光照等7个气象参数的检测电路。其中，雨量和风向分别是通过雨量计和风向传感器输出的电压信号来确定，可由JN5148的内置ADC直接采集信号强度即可。但是需要注意的是，传感器的输出电压必须满足ADC的输入范围要求，否则必须增加电压调节电路来线性调节到3．6 V以内。风速的大小是由传统杯式风速传感器输出的频率信号来确定，可以直接由计数器来获得测量值。因此，仅重点介绍其他4个气象参数的传感器电路。

考虑到测量准确度和系统集成小型化，采用瑞士Sensirion公司的SHT75数字温湿度传感器来测量温度和湿度。SHT75具有高可靠性和长期稳定性，采用全量程标定，两线数字接口，可与单片机直接相连，大大缩短研发时间、简化外围电路，而且体积小、响应迅速和低能耗，能够适于野外多种场合的应用。SHT75的供电电压选用3．3 V，在电源引脚之间集成有一个100 nF的滤波电容，而电源VDD与数据线DATA之间需要一个10 kΩ的上拉电阻。SHT75仅需要两根线与处理器的Two Wire Serial Port端口相连，SCK为通信同步时钟，DATA为三态结构，用于读取传感器数据。电路如图3所示。当处理器向传感器发送命令时，DATA在SCK的上升沿有效且在SCK高电平时必须保持稳定，DATA在SCK下降沿之后改变［7－8］。

图3 温湿度传感器电路

大气压检测电路的传感器采用MS5803数字式气压传感器。MS5803备有I2C和SPI接口，内部集成A／D转换器，可输出24位压力和温度数字信号，转换时间最快1 ms，可气密封装，尤其适合户外气压及高度测量。MS5803的内部结构由惠斯顿电桥组成传感器，可检测绝对压力，电桥的差模信号经放大后由ADC转换成数字量，经数字滤波后保存在数字接口的D1和D2中，供主机读取。系统选用SPI总线与MS5803相连。电路如图4所示。

图4 气压传感器电路

光照强度是气象环保、环境监测中的重要参数，系统为了实现对光强的监测，选用了TAOS公司生产的光强数字转换芯片TSL2561。TSL2561具有高速、低功耗、宽量程和配置灵活等优点，具有直接I2C接口，用于将光照强度转换成数字信号输出。TSL2561内部通道0的光敏二极管对可见光和红外线都敏感，积分式A／D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量存入芯片内部的寄存器中。TSL2561的硬件接口电路很简单，可以直接使用控制器的I／O端口连接TSL2561的SCL和SDA，利用程序来模拟I2C总线的时序来访问TSL2561。硬件连接如图5所示［9－10］。

图5 光强度传感器电路

2．3 其他电路模块

协调器节点、现场路由节点及终端节点之间的数据通信采用ZigBee无线技术实现，但是协调器节点与远程监控中心的数据通信必须采用远程数据传输方式来实现。综合考虑到气象监测系统分布灵活的特点，同时保证系统的工作可靠性要求，选用了GPRS／GSM的混合通讯方式来实现远程通信，能够提供端到端的、广域的无线IP连接。协调器节点的电路结构如图6所示［11］。

图6 协调器节点结构

图6中，JN5148内置的UART口与GPRS无线模块MC55i连接。系统上电后，自动搜索GPRS网络，进行注册并连接。当协调器节点接收到监测网络中传输过来的数据后，即可将协议封装的打包数据通过GPRS网络发送到远程的监控中心。为保证系统的可靠性，选用GSM作为备用数据通道，一旦GPRS网络出现故障或数据堵塞，可以立即启动GSM短信通道和监控中心进行通信。

图7 监控中心下位机结构

监控中心部分采用上位机和下位机的构成方式，其中，上位机为PC机，下位机由JN5148模块和MC55i无线模块构成，如图7所示。JN5148模块为下位机核心，负责处理数据流的传输控制，通过2个UART串口分别连接MC55i模块和上位PC机，MC55i接收到远程的数据后，经过JN5148的预处理，通过UART串口传输到上位机进行最后的数据处理。

考虑到气象监测系统的监测点一般分布在野外，同时考虑到布点的灵活性，系统采用方便移动的太阳能供电系统。自然光强度足够的时候，利用太阳能电板给系统供电，同时给电池充电。光照不足的时候，则利用电池维持系统的正常工作。系统采用的单晶硅太阳能电池板可以提供10 V以上的供电电压，利用XC6202P系列高稳定性电压转换芯片实现3．3 V电压供电。同时需要注意的是，在系统模块处于不工作的时候，可以转入低功耗的工作模式，以达到降低系统功耗的目的。

3 系统软件设计

3．1 系统软件结构及开发环境

系统的软件部分主要包括传感器模块程序、协议程序和上位机程序。其中，传感器模块程序和协议程序实现了控制器对传感器的控制、数据采集、数据传输和节点网络管理等任务。上位机程序工作于监控中心的PC机上，实现对整个网络的监控、数据处理、数据显示和数据存储等任务。

基于JN5148的各监控网络节点的开发环境采用Jennic CodeBlocks平台。这个软件是Jennic所提供的代码编辑和编译环境，和基于Cygwin的gcc编译器进行连接完成代码的编译工作。Jennic Flash Programmer程序是用来将编译好的二进制代码文件下载到控制器板中的工具。802．15．4 Stack组件是ZigBee底层的协议栈，必须要安装这个协议栈。ZigBee Stack协议栈是Jennic公司的ZigBee协议栈，如果是从802．15．4协议栈进行开发的话，可以不用装该组件。如果是从ZigBee协议栈进行开发，那么就必须安装这2个协议栈。

上位机监控软件程序使用Lab VIEW 2012软件环境开发。Lab VIEW使用的是图形化编辑语言G来编写程序，产生的程序是框图的形式，其特殊的图形程序简单易懂，有利于提高开发效率及日后的软件维护。Lab VIEW有一个庞大的函数库，包括数据采集、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。Lab VIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建人机交互界面，其引入的虚拟仪表的概念可以使得用户能够通过人机界面直接控制仪器［12－13］。

3．2 系统主要节点的软件流程

监测网络的终端节点在上电后自动寻找网络并加入，其主要任务是获得传感器采集的监测数据和数据的打包发送。在非工作状态下，终端节点处于休眠模式，以节省能耗。终端节点主要软件流程如图8所示。协调器节点的主要任务是创建管理网络，在网络节点与监控中心之间传输数据，其主要软件流程如图9所示。

图8 终端节点软件流程

图9 协调器节点软件流程

4 结束语

设计了无线分布式气象参数监测系统，各气象参数的采集模块能够独立工作，减少了信号的相互干扰。模块化的设计使得系统组网灵活，各参数的测量节点可任意增减，终端节点经过简单的配置即可加入网络，实现无线数据传输，避免了有线传输方式安装维护困难等问题。系统采用JN5148模块作为核心，使用芯片自带的ZigBee PRO协议栈作为监测网络各节点间的通信协议，利用串行接口实现部分功能模块、下位机和上位机之间的互联，维护使用方便。在上位机中，采用Lab VIEW软件开发人机界面，实时显示各测点的监测数据。系统将Zig－Bee无线通信技术和测量技术紧密联系起来，应用于气象监测领域，实时监测各种气象参数的变化，工作效果达到预期要求。系统可方便地移植到环境监测、水利监测等领域，具有广泛的应用前景。

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