基于ZigBee的高速公路气象信息采集系统设计

2014-07-20乐佳琪殳国华

电气自动化 2014年4期

关键词：无线通讯气象无线

乐佳琪，殳国华

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

基于ZigBee的高速公路气象信息采集系统设计

乐佳琪，殳国华

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

为解决因高速公路气象变化而导致交通事故频发的问题，提出了利用ZigBee无线通讯技术，以STM32W108为主控制器的高速公路气象信息采集系统。主要由主控制中心与其附属的多个小型气象信息数据采集器通过ZigBee无线通讯相连所构成。每个子节点将所采集到的气象数据上传至主控制中心。经过对气象数据进行分析处理后，对有特殊气象情况的路段发出警示信息，从而及时的提醒驾驶员，以达到安全驾驶的目的。

ZigBee；STM32W108；气象信息采集；温湿度传感器；焓湿图；高速公路

0 引言

中国高速公路网络发达，事故频发，导致重大人身财产损失。事故发生的原因有很多，包括人为因素（疲劳驾驶，醉酒驾驶等），路况因素，天气因素等等［1］。当前方气象状况突变时，驾驶员由于对前方情况缺乏了解，无法及时做好应急准备，容易发生事故。特别是在某些路段突然出现团雾［2］现象时，会导致前方能见度突然降低，对没有准备的驾驶员来说非常危险。现在的高速公路上，还没有实时的天气预警的机制，这对高速公路的安全驾驶是一大隐患。

为此，提出了基于ZigBee无线传感网络的分布式气象信息数据采集系统，可以通过不断地对高速公路各路段处温度、湿度、光照等一系列气象数据的采集与分析，实时提供前方高速公路天气状况，从而及时的提醒驾驶员，做好采取应急措施的准备。

系统采用STM32W108芯片实现ZigBee的通讯与数据的采集，价格低廉、功耗低，通过分布式的传感网络技术实现对高速公路全方位的覆盖，从一定程度上可以有效地减少事故发生的几率，达到安全驾驶的目的。

1 系统综述

图1为本设计整体示意图。在高速公路上每隔一定的距离（约1 km）设置一个小型的气象信息数据采集器（下文中均缩写为节点），通过各数据采集电路，实时的采集到该处的温度、湿度、光照等一系列气象数据，并通过ZigBee向邻近节点逐层传输，并最终汇总到该区域的信息采集中心，对气象数据进行分析，向气象状况异常区域发出预警。一般高速公路上每10 km～20 km就会有一个出口或者收费站，在这些地方建立信息采集中心，大约10个节点就可以实现该路段的气象数据完全覆盖。

图1 高速公路气象信息采集系统整体示意图

目前，ZigBee仍是较为主流的无线通讯手段，与类似的蓝牙，WiFi等其他无线通讯技术相比，它具有低成本、低功耗、可靠性高、可实现多对多无线通讯的能力［3］。但ZigBee技术也有一些不足，最主要的就是通讯距离比较短，但装有LNA和PA功率放大器的ZigBee模块的传输距离可达5 km～6 km［4］，满足了设计要求，可实现相邻多个节点之间的互联，组成逐层的网状结构，保证数据传输的可靠性。当一个或多个节点故障时，仍能由其他节点保证数据的传输。各个信息采集中心之间可以通过互联网实现数据的共享，使整个系统在总体上处于环形结构，局部上处于网状结构。

结合STM32W108低功耗、低成本的特性，使整个系统的能耗很低，节能环保，成本低廉，对于高速公路上发生事故时动辄几十万上百万的财产损失以及无法估量的人身伤亡来说意义非凡。

2 节点硬件设计

每个节点由STM32W108及其外围电路，各类传感器，电源模块构成。节点硬件框图如图2所示，其中右侧功能均可在STM32W108内部实现。

图2 节点硬件设计框图

STM32W108芯片是意法半导体（ST）公司推出的一个完全集成的系统级芯片，该芯片集合了符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz收发器、32位ARM Cortex－M3微处理器、Flash闪存、RAM存储器以及基于ZigBee系统使用的很多通用外设［5－6］。它具有低功耗、低成本等特性。STM32W108芯片的引脚分布如图3所示。

传感器部分包括温度传感器、湿度传感器及光照传感器。在收到主控制器发出的工作指令时，各传感器立即开始工作，采集相应气象数据，将所得到数据返回STM32芯片，并经由ZigBee将数据逐层上传回控制中心，通过对各气象数据的综合处理分析（温湿度参数结合焓湿图［7］可判断出该地区的是否有雨雾等影响行车安全的气象情况发生），从而达到气象预警的作用。

电源模块采用电池供电与太阳能供电结合的方式。当光照充足时，采用太阳能电池板供电；当光照不足或太阳能电池板输出电压过低时，采用2节1．5 V电池串联来对STM32W108供电。要使STM32W108正常工作，需要在芯片的4个VDD引脚处接2．1 V～3．6 V范围的电源，故采用LM1117IMP－3．3对电源进行稳压。其稳压电源部分电路如图4所示。

图3 STM 32W 108的芯片引脚分布图

图4 3．3V稳压电路

由于STM32W108芯片具有低功耗的特性，它可以在平时处于深睡眠状态，以减少耗电，直到需要工作时才被唤醒，所以普通的电池就可以保证单个节点长时间的工作。再结合太阳能供电，使整个系统更加环保，续航能力更加持久，从而减少系统的维护成本。

3 系统软件设计

系统软件部分主要分为各节点软件设计与气象预警系统软件设计。前者负责每个节点的数据采集与传输，后者负责对所有数据进行综合处理分析。

节点软件部分流程如图5所示，每个节点首先进行初始化，完成初始化之后通过ZigBee自动搜索通讯范围内的邻近节点，与所有可通讯节点匹配组网。之后STM32W108芯片进入深睡眠模式，以节省能源，等待无线数据接收中断与自身睡眠定时器中断。如果收到无线数据接收中断或者自身睡眠定时器中断，MCU被唤醒，处理收到的数据或自身进行数据采集，并将所有数据向网内节点传输，之后再一次进入深睡眠模式，等待下一次的中断任务。

根据现场情况与实际需求，每隔5至10分钟采集一次气象数据，这样可以保证气象信息的实时性，同时达到经济运行的目的。在数据传输时采用双向多节点传输的模式，即每个节点都将自身及所收到的来自其他节点的数据向通讯范围内所有成功组网的节点传送，这样可以使每个节点都能获得该区域内所有节点的气象数据，即使有一两个节点故障，也不会导致数据传输环路中断，保证数据传输的可靠性。

气象预警系统由信息采集中心实现，根据接收到的各节点处温度与湿度数据，结合焓湿图可以判断该节点处气象信息。一般的，当相对湿度达到或超过95%时，说明此时可能有结雾现象发生，系统对该处附近车辆发出警示信号，提醒驾驶员注意前方气象状况。

4 结束语

本设计是基于ZigBee无线通讯协议，来实现高速公路气象数据的采集与无线传输，使得在气象情况变化时，高速公路上的驾驶员可以及时的收到提醒及警示，以此来达到安全驾驶减少高速公路事故的目的。

在验证阶段，以5个节点构成的小型ZigBee无线传感网络为实验对象，在成功组网后，上位机可以有效实时的收到子节点所采集到的气象数据，并通过分析处理正确发布气象信息，实现所要求的目的。

［1］杨忠来．高速公路交通事故成因分析及预防［J］．太原科技，2003，24（6）：62－63．

［2］田小毅，吴建军，严明良，等．高速公路低能见度浓雾监测预报中的几点新进展［J］．气象科学，2009，29（3）：414－420．

［3］GISLASON D．ZigBee Wireless Networking［M］．America：Newnes，2008．

［4］郭宏福，白丽娜，郭志华．2．4GHz ZigBee数传模块传输距离的估算方法［J］．西安电子科技大学学报，2009，36（4）：691－695．

［5］沈建华，郝立平．STM32无线射频ZigBee单片机原理与应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2010．

［6］STMicroelectronics．STM32W108 CB datasheet．［2009－09－01］．http：／／www．st．com／mcu 2010．

［7］曾芬，焓湿图的解读与应用［J］．广东科技，2012，21（11），238－255．

Design of a ZigBee-based Highway Meteorological Information Collection System

LE Jia-qi，SHU Guo-hua
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

To solve the problem of frequent traffic accidents on highways due to meteorological changes，this paper presents a highway meteorological information collection system using ZigBee wireless communication technology and adopting STM32W108 as main controller．The system is composed of amain control center and several subordinate smallmeteorological information collectorswhich are linked bymeans of ZigBeewireless communication technology．Each child nodewillupload collectedmeteorological information to the control center．After analyzing and processingmeteorological data，the system will send alertmessageswith regards to the section under specialmeteorological conditions so as to remind drivers in time and achieve the goal of safe drive．

ZigBee，STM32W108；meteorological information collection；temperature and humidity sensor；psychrometric chart；highway