龔高超，馬啟明，黃啟俊，孫 洋，苑尚博

(1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，北京 100190)

一種基于Zig Bee的新型智能氣象站設(shè)計(jì)*

龔高超1,2，馬啟明2，黃啟俊1，孫 洋1，苑尚博1,2

(1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，北京 100190)

根據(jù)氣象站升級(jí)需要，介紹了一種新型智能氣象站。硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)采集器為一個(gè)單獨(dú)模塊，大大減少維修難度和維護(hù)成本。摒棄傳統(tǒng)有線的傳輸方式，采用Zig Bee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，使新型氣象站沒(méi)有傳輸布線成本。堅(jiān)持低功耗的設(shè)計(jì)思路，并采用太陽(yáng)能供電為主電源與鋰電池供電相結(jié)合，不再需要接入外接電源，布站簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便?，F(xiàn)已在江西南昌建立了一套新型智能氣象站實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行運(yùn)行比對(duì)試驗(yàn)。

智能氣象站；Zig Bee；低功耗；太陽(yáng)能供電

0 引 言

目前,國(guó)內(nèi)的自動(dòng)氣象站技術(shù)水平落后，設(shè)備穩(wěn)定性、擴(kuò)展性差。現(xiàn)急需依據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范[1]，對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)氣象站進(jìn)行智能化改造，并以高精度智能溫度傳感器為代表，研制測(cè)量精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)、具備設(shè)備狀態(tài)信息與數(shù)據(jù)質(zhì)量輸出參數(shù)新一代智能氣象站。

本文提出的新型智能氣象站是在原有氣象站的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字溫度傳感器，超聲風(fēng)傳感器這些新技術(shù)傳感器[2]；使用太陽(yáng)能供電取代原來(lái)的市電供電，節(jié)約布線成本；結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，提出采用Zig Bee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[3]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集單元兩大部分組成(圖1)。傳感器主要包括風(fēng)向風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器、地溫傳感器等；數(shù)據(jù)采集單元是由硬件和軟件組成的嵌入式數(shù)據(jù)采集板。各種前端傳感器信號(hào)傳入后端的數(shù)據(jù)采集單元，根據(jù)特定的算法、輸出格式等將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)Zig Bee無(wú)線方式輸出。

1.2 傳感器選取

地溫傳感器選用ANALOG DEVICES公司的集成的數(shù)字溫度傳感器ADT7410，采用數(shù)字芯片，觀測(cè)精度高，一致性好，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。溫濕度傳感器選用ROTRONIC公司的氣象類溫濕度探頭HC2—S3，其氣象類溫濕度探頭很適合氣象臺(tái)站的應(yīng)用。氣壓傳感器選用VAISALA公司的PTB220，VAISALA公司是芬蘭著名的工業(yè)測(cè)量?jī)x器設(shè)備制造商，其生產(chǎn)的氣壓傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，精度高。風(fēng)速風(fēng)向采用中環(huán)天儀的一體風(fēng)EL18和華云公司的杯式傳感器EL15—1A，并可選配VAISALA公司的超聲風(fēng)傳感器WMT52。前兩種一體風(fēng)傳感器和杯式風(fēng)傳感器目前已經(jīng)廣泛用于氣象臺(tái)站，為了與最新技術(shù)接軌，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選配了VAISALA公司新型的超聲風(fēng)傳感器，該傳感器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，壽命長(zhǎng)，低功耗，高穩(wěn)定性。雨量傳感器選用目前業(yè)務(wù)上使用的翻斗式雨量筒，并具有0.1，0.5 mm兩種測(cè)量量程，確保測(cè)量數(shù)據(jù)精度。環(huán)境溫度測(cè)量采用Pt1000探頭[4,5]，該探頭相較于目前更普遍的Pt100探頭，可測(cè)溫度范圍更廣，精度更好。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 System structure

2 模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 模塊設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能供電，在達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求的情況下應(yīng)盡量降低功耗，MCU選取選用TI公司的型號(hào)是MSP430F149單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該MCU完全滿足設(shè)計(jì)的性能要求，并且功耗優(yōu)于預(yù)期設(shè)定。

如圖2所示，每個(gè)模塊硬件包含高性能的嵌入式處理器MSP430、高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、傳感器接口、RS—232通信接口、監(jiān)測(cè)電路等。綜合考慮速度、功耗、環(huán)境要求，電路具有獨(dú)立的Watchdog確保運(yùn)行安全性；通信接口包括1路RS—232(可選用)和Zig Bee無(wú)線傳輸模塊。

圖2 模塊設(shè)計(jì)框圖Fig 2 Module design block diagram

2.2 電源管理系統(tǒng)

高效穩(wěn)定可靠的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，本系統(tǒng)采用最大設(shè)計(jì)功率5 W的太陽(yáng)能電池作為主電源，此太陽(yáng)能電池板對(duì)一個(gè)3節(jié)串聯(lián)的3700 mAh鋰電池(充滿12.6 V)進(jìn)行充電提供電源并使用單節(jié)800 mAh鋰電池(充滿4.2 V)作為備份電源。電源管理分三部分：太陽(yáng)能電池高效的充放電管理電路，電源供電電路，備份電源充放電和自動(dòng)切換電路。

太陽(yáng)能充放電管理采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)[6]，檢測(cè)主回路直流電壓與輸出電流，計(jì)算出太陽(yáng)能電池的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤。主電路采用BUCK電路拓?fù)?，主要由光伏電池、功率器件、濾波電感器、電容器、續(xù)流二極管、蓄電池組成，主電路拓?fù)淙鐖D3。

圖3 MPPT充電控制原理Fig 3 Charge control principle of MPPT

系統(tǒng)工作電壓為3.3 V，供電電壓為12 V太陽(yáng)能電池，如圖4，采用TI公司的TPS54231，該芯片采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有100 mA的ECO-MODE，并且靜態(tài)工作電流僅為110 μA，可在輕載時(shí)也提供很高的轉(zhuǎn)換效率(12 V輸入時(shí)輕載轉(zhuǎn)換效率大于80 %)，這點(diǎn)是絕大部分同類型的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片無(wú)法達(dá)到的，很適合作為對(duì)效率要求較高的輕載系統(tǒng)使用。

圖4 電源供電電路Fig 4 Power supply circuit

備份電池充放電采用線性充放電設(shè)計(jì)，具有完備的預(yù)充電，恒流充電和涓流充電過(guò)程，能智能檢測(cè)電池當(dāng)前的狀態(tài)，當(dāng)備份電池故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障信息。備份電池在主電源出現(xiàn)故障時(shí)為系統(tǒng)提供電能，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)切換無(wú)需人工干預(yù)，且切換速度極快，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行造成任何影響。

2.3 外圍電路設(shè)計(jì)

模塊外圍電路包含本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘，本地?cái)?shù)據(jù)存取，LCD顯示接口，環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)，串口調(diào)試、數(shù)據(jù)發(fā)送和獨(dú)立看門(mén)狗電路。本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用MAXIM公司的DS3231M，該芯片集成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)[7]，提高了器件的長(zhǎng)期準(zhǔn)確性并減少了電路的元器件數(shù)量。本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)采用目前程序存儲(chǔ)常用的32 Mbit SPI接口Flash，它相對(duì)Nand Flash來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)可靠性提升很多，容量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EEPROM，兼顧數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。系統(tǒng)每個(gè)模塊均預(yù)留LCD12864顯示接口，接入常規(guī)的LCD12864顯示屏即可顯示相關(guān)數(shù)據(jù)或者參數(shù)。環(huán)境溫度檢測(cè)采用單總線芯片DS18B20，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用。MCU預(yù)留一個(gè)專門(mén)的調(diào)試及數(shù)據(jù)測(cè)試或數(shù)據(jù)發(fā)送端口，采用RS-232C電平標(biāo)準(zhǔn)，使用MAX3232E進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為了保證電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，所有電路采用外部看門(mén)狗設(shè)計(jì)，外部看門(mén)狗使用獨(dú)立的外部時(shí)鐘，實(shí)時(shí)監(jiān)控MCU運(yùn)行，保證程序運(yùn)行的可靠性。

2.4 傳感器信號(hào)前端處理電路

由于每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的傳感器不同，所需要的處理電路也不同。數(shù)字溫度傳感器采用I2C總線方式通信，無(wú)需特殊的處理電路，直接通過(guò)總線送入MSP430。Pt 1000溫度傳感器本身為電阻器，采用線性化的4～20 mA電流發(fā)送器，再使用基準(zhǔn)電阻器，通過(guò)16 bit高精度AD采樣得到采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。溫濕度輸出為0～1 V模擬量，通過(guò)濾波后經(jīng)一個(gè)高精度AD采樣采集數(shù)據(jù)。一體風(fēng)傳感器和杯式風(fēng)速傳感器其風(fēng)速通過(guò)波形處理和電平轉(zhuǎn)換再通過(guò)MSP430中斷計(jì)數(shù)，風(fēng)向?yàn)?位格雷碼通過(guò)電平轉(zhuǎn)換后送入MSP430解碼[8]。超聲風(fēng)傳感器和氣壓傳感器本身已經(jīng)處理過(guò)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信獲取。翻斗式雨量傳感器脈沖通過(guò)一級(jí)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器濾除干簧管噪聲再送入MSP430中斷計(jì)數(shù)，如圖5所示，經(jīng)過(guò)該電路濾波后，信號(hào)輸出為固定寬度脈沖輸出。

圖5 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路Fig 5 Circuit of monostable multivibrator

3 模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理軟件流程

數(shù)據(jù)采集與處理均通過(guò)MSP430單片機(jī)進(jìn)行，其整體流程如圖6所示。程序上電初始化之后，單片機(jī)判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，若不需要，則進(jìn)入低功耗模式，等待數(shù)據(jù)采集指令；若當(dāng)前需要數(shù)據(jù)采集，則單片機(jī)采集當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息和環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，然后判斷采集的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)；若非有效數(shù)據(jù)，則登記當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)，并判斷是否出現(xiàn)故障；若沒(méi)有故障則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)重新等待數(shù)據(jù)采集，如果發(fā)現(xiàn)故障，生成故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行本地存儲(chǔ)，顯示，并通過(guò)Zig Bee上傳至上位機(jī)軟件；如果采集的數(shù)據(jù)有效，則通過(guò)數(shù)據(jù)解析，處理，打包并進(jìn)行質(zhì)量控制，然后按照國(guó)家氣象規(guī)范生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀或狀態(tài)幀數(shù)據(jù)，同樣對(duì)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，顯示，并通過(guò)Zig Bee上傳至上位機(jī)。

圖6 單片機(jī)控制流程Fig 6 MCU control flow diagram

3.2 Zig Bee無(wú)線發(fā)送流程

本系統(tǒng)采用Jennic第二代無(wú)線微控制器的低功耗Zig Bee通信模塊JN5139，圖7為Zig Bee無(wú)線發(fā)送流程圖，主程序在上電后，開(kāi)始程序初始化，搜索并建立網(wǎng)絡(luò)，并保存網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)通過(guò)MSP430發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)中斷喚醒Zig Bee，Zig Bee重新建立網(wǎng)絡(luò)連接之后，向MSP430回復(fù)準(zhǔn)備發(fā)送狀態(tài)；然后通過(guò)串口接收需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)，并等待協(xié)調(diào)通信結(jié)束指令，如果協(xié)調(diào)確認(rèn)結(jié)束當(dāng)前通信，則Zig Bee進(jìn)入休眠模式；如果協(xié)調(diào)要求下發(fā)設(shè)置指令，則Zig Bee節(jié)點(diǎn)把當(dāng)前指令發(fā)回給MSP430處理，然后再進(jìn)入休眠。

圖7 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig 7 Wireless data transmission process

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

表1是每個(gè)模塊正常工作時(shí)的功耗，電路設(shè)計(jì)供電電壓為9～27 V，推薦供電電壓12～24 V，功耗測(cè)試只針對(duì)推薦供電電壓進(jìn)行測(cè)試，由于一體風(fēng)傳感器和氣壓傳感器本身功耗大，故這兩個(gè)模塊工作時(shí)功耗較大。表2為模塊功能測(cè)試，在工業(yè)級(jí)的工作范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果表明每個(gè)模塊所有功能運(yùn)行正常，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 模塊功耗測(cè)試結(jié)果(20 ℃)Tab 1 Results of module power consumption test (20 ℃)

表2 模塊功能測(cè)試(-40～60 ℃)Tab 2 Functional test of module (-40～60 ℃)

4.2 組網(wǎng)與建站測(cè)試

在一個(gè)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中，一般有3種設(shè)備類型，Coordinate(協(xié)調(diào))、Router(路由)以及End-Device(終端)。這3種設(shè)備類型相結(jié)合，共同構(gòu)成了3種通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)。

為了實(shí)現(xiàn)低功耗傳輸?shù)哪康?，去掉了無(wú)法休眠的Router節(jié)點(diǎn)，采用了簡(jiǎn)化的星形網(wǎng)絡(luò)。中心站的PC與Zig Bee的Coordinate連接，雨量傳感器、低溫傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、Pt1000溫度傳感器作為每個(gè)End-Device節(jié)點(diǎn)，傳感器的數(shù)據(jù)由單片機(jī)發(fā)送到Zig Bee芯片。所有的節(jié)點(diǎn)都僅僅和中心站的Coordinate 直接通信，而不經(jīng)過(guò)另外的Router 來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。此時(shí)，Coordinate 是所有End-Device的數(shù)據(jù)匯聚中心，任何終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，中心都能夠收到，而中心站發(fā)送的數(shù)據(jù)為廣播包，每一個(gè)End-Device終端都會(huì)收到數(shù)據(jù)。

表3為南昌實(shí)驗(yàn)站2014年2月19日當(dāng)天的數(shù)據(jù)報(bào)到率，可以看出，整體上無(wú)線傳輸狀況良好，不過(guò)仍然存在部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失問(wèn)題，這需要對(duì)無(wú)線傳輸進(jìn)行總結(jié)改進(jìn)。

表3 南昌實(shí)驗(yàn)點(diǎn)一天數(shù)據(jù)報(bào)到率(2014.02.19)Tab 3 Data arrival rate in Nanchang experimental station(2014.02.19)

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路，研究基于Zig Bee協(xié)議的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)并用于業(yè)務(wù)實(shí)踐。相對(duì)于傳統(tǒng)的氣象站，新型智能氣象站從傳感器的選用、信號(hào)處理電路、通信方式及供電方式等方面進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)。通過(guò)南昌實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)可以看出：新型智能氣象站基本實(shí)現(xiàn)了正常運(yùn)行，但仍存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失問(wèn)題，這需要對(duì)無(wú)線傳輸進(jìn)行改進(jìn)和技術(shù)提高。

[1] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京:氣象出版社,2003:103-108.

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Design of a new type intelligent weather station based on Zig Bee*

GONG Gao-chao1,2, MA Qi-ming2, HUANG Qi-jun1, SUN Yang1, YUAN Shang-bo1,2

(1.School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Introduce a new type of intelligent weather station to satisfy the update need.Hardware uses modularization design method,each collector can be an individual module to reduce repairing difficulty and maintenance cost remarkably.By abandoning traditional wire transmission mode type and using Zig Bee wireless networking technology,new type weather station doesn’t have cost of transmission wiring.Insist on low power consumption design idea,the weather station takes combination of solar-powered and lithium battery,so,it doesn’t need external power source and the station distribution can be easy,it can run stably and maintained conveniently.Recently,a set of intelligent weather station has been set in Nanchang to compare with traditional station system.

intelligent weather station；Zig Bee；low power consumption；solar-powered

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0087—04

2014—03—22

國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(GYHY201006049)

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0087—04

龔高超(1988-)，男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅髋c物聯(lián)網(wǎng)。