樂佳琪，殳國華

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

基于ZigBee的高速公路氣象信息采集系統(tǒng)設計

樂佳琪，殳國華

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

為解決因高速公路氣象變化而導致交通事故頻發(fā)的問題，提出了利用ZigBee無線通訊技術，以STM32W108為主控制器的高速公路氣象信息采集系統(tǒng)。主要由主控制中心與其附屬的多個小型氣象信息數(shù)據(jù)采集器通過ZigBee無線通訊相連所構成。每個子節(jié)點將所采集到的氣象數(shù)據(jù)上傳至主控制中心。經(jīng)過對氣象數(shù)據(jù)進行分析處理后，對有特殊氣象情況的路段發(fā)出警示信息，從而及時的提醒駕駛員，以達到安全駕駛的目的。

ZigBee；STM32W108；氣象信息采集；溫濕度傳感器；焓濕圖；高速公路

0 引 言

中國高速公路網(wǎng)絡發(fā)達，事故頻發(fā)，導致重大人身財產(chǎn)損失。事故發(fā)生的原因有很多，包括人為因素（疲勞駕駛，醉酒駕駛等），路況因素，天氣因素等等［1］。當前方氣象狀況突變時，駕駛員由于對前方情況缺乏了解，無法及時做好應急準備，容易發(fā)生事故。特別是在某些路段突然出現(xiàn)團霧［2］現(xiàn)象時，會導致前方能見度突然降低，對沒有準備的駕駛員來說非常危險。現(xiàn)在的高速公路上，還沒有實時的天氣預警的機制，這對高速公路的安全駕駛是一大隱患。

為此，提出了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的分布式氣象信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以通過不斷地對高速公路各路段處溫度、濕度、光照等一系列氣象數(shù)據(jù)的采集與分析，實時提供前方高速公路天氣狀況，從而及時的提醒駕駛員，做好采取應急措施的準備。

系統(tǒng)采用STM32W108芯片實現(xiàn)ZigBee的通訊與數(shù)據(jù)的采集，價格低廉、功耗低，通過分布式的傳感網(wǎng)絡技術實現(xiàn)對高速公路全方位的覆蓋，從一定程度上可以有效地減少事故發(fā)生的幾率，達到安全駕駛的目的。

1 系統(tǒng)綜述

圖1為本設計整體示意圖。在高速公路上每隔一定的距離（約1 km）設置一個小型的氣象信息數(shù)據(jù)采集器（下文中均縮寫為節(jié)點），通過各數(shù)據(jù)采集電路，實時的采集到該處的溫度、濕度、光照等一系列氣象數(shù)據(jù)，并通過ZigBee向鄰近節(jié)點逐層傳輸，并最終匯總到該區(qū)域的信息采集中心，對氣象數(shù)據(jù)進行分析，向氣象狀況異常區(qū)域發(fā)出預警。一般高速公路上每10 km～20 km就會有一個出口或者收費站，在這些地方建立信息采集中心，大約10個節(jié)點就可以實現(xiàn)該路段的氣象數(shù)據(jù)完全覆蓋。

圖1 高速公路氣象信息采集系統(tǒng)整體示意圖

目前，ZigBee仍是較為主流的無線通訊手段，與類似的藍牙，WiFi等其他無線通訊技術相比，它具有低成本、低功耗、可靠性高、可實現(xiàn)多對多無線通訊的能力［3］。但ZigBee技術也有一些不足，最主要的就是通訊距離比較短，但裝有LNA和PA功率放大器的ZigBee模塊的傳輸距離可達5 km～6 km［4］，滿足了設計要求，可實現(xiàn)相鄰多個節(jié)點之間的互聯(lián)，組成逐層的網(wǎng)狀結構，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴．斠粋€或多個節(jié)點故障時，仍能由其他節(jié)點保證數(shù)據(jù)的傳輸。各個信息采集中心之間可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，使整個系統(tǒng)在總體上處于環(huán)形結構，局部上處于網(wǎng)狀結構。

結合STM32W108低功耗、低成本的特性，使整個系統(tǒng)的能耗很低，節(jié)能環(huán)保，成本低廉，對于高速公路上發(fā)生事故時動輒幾十萬上百萬的財產(chǎn)損失以及無法估量的人身傷亡來說意義非凡。

2 節(jié)點硬件設計

每個節(jié)點由STM32W108及其外圍電路，各類傳感器，電源模塊構成。節(jié)點硬件框圖如圖2所示，其中右側功能均可在STM32W108內(nèi)部實現(xiàn)。

圖2 節(jié)點硬件設計框圖

STM32W108芯片是意法半導體（ST）公司推出的一個完全集成的系統(tǒng)級芯片，該芯片集合了符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz收發(fā)器、32位ARM Cortex－M3微處理器、Flash閃存、RAM存儲器以及基于ZigBee系統(tǒng)使用的很多通用外設［5－6］。它具有低功耗、低成本等特性。STM32W108芯片的引腳分布如圖3所示。

傳感器部分包括溫度傳感器、濕度傳感器及光照傳感器。在收到主控制器發(fā)出的工作指令時，各傳感器立即開始工作，采集相應氣象數(shù)據(jù)，將所得到數(shù)據(jù)返回STM32芯片，并經(jīng)由ZigBee將數(shù)據(jù)逐層上傳回控制中心，通過對各氣象數(shù)據(jù)的綜合處理分析（溫濕度參數(shù)結合焓濕圖［7］可判斷出該地區(qū)的是否有雨霧等影響行車安全的氣象情況發(fā)生），從而達到氣象預警的作用。

電源模塊采用電池供電與太陽能供電結合的方式。當光照充足時，采用太陽能電池板供電；當光照不足或太陽能電池板輸出電壓過低時，采用2節(jié)1．5 V電池串聯(lián)來對STM32W108供電。要使STM32W108正常工作，需要在芯片的4個VDD引腳處接2．1 V～3．6 V范圍的電源，故采用LM1117IMP－3．3對電源進行穩(wěn)壓。其穩(wěn)壓電源部分電路如圖4所示。

圖3 STM 32W 108的芯片引腳分布圖

圖4 3．3V穩(wěn)壓電路

由于STM32W108芯片具有低功耗的特性，它可以在平時處于深睡眠狀態(tài)，以減少耗電，直到需要工作時才被喚醒，所以普通的電池就可以保證單個節(jié)點長時間的工作。再結合太陽能供電，使整個系統(tǒng)更加環(huán)保，續(xù)航能力更加持久，從而減少系統(tǒng)的維護成本。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分主要分為各節(jié)點軟件設計與氣象預警系統(tǒng)軟件設計。前者負責每個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與傳輸，后者負責對所有數(shù)據(jù)進行綜合處理分析。

節(jié)點軟件部分流程如圖5所示，每個節(jié)點首先進行初始化，完成初始化之后通過ZigBee自動搜索通訊范圍內(nèi)的鄰近節(jié)點，與所有可通訊節(jié)點匹配組網(wǎng)。之 后STM32W108芯片進入深睡眠模式，以節(jié)省能源，等待無線數(shù)據(jù)接收中斷與自身睡眠定時器中斷。如果收到無線數(shù)據(jù)接收中斷或者自身睡眠定時器中斷，MCU被喚醒，處理收到的數(shù)據(jù)或自身進行數(shù)據(jù)采集，并將所有數(shù)據(jù)向網(wǎng)內(nèi)節(jié)點傳輸，之后再一次進入深睡眠模式，等待下一次的中斷任務。

根據(jù)現(xiàn)場情況與實際需求，每隔5至10分鐘采集一次氣象數(shù)據(jù)，這樣可以保證氣象信息的實時性，同時達到經(jīng)濟運行的目的。在數(shù)據(jù)傳輸時采用雙向多節(jié)點傳輸?shù)哪Ｊ?，即每個節(jié)點都將自身及所收到的來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)向通訊范圍內(nèi)所有成功組網(wǎng)的節(jié)點傳送，這樣可以使每個節(jié)點都能獲得該區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的氣象數(shù)據(jù)，即使有一兩個節(jié)點故障，也不會導致數(shù)據(jù)傳輸環(huán)路中斷，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

氣象預警系統(tǒng)由信息采集中心實現(xiàn)，根據(jù)接收到的各節(jié)點處溫度與濕度數(shù)據(jù)，結合焓濕圖可以判斷該節(jié)點處氣象信息。一般的，當相對濕度達到或超過95%時，說明此時可能有結霧現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)對該處附近車輛發(fā)出警示信號，提醒駕駛員注意前方氣象狀況。

4 結束語

本設計是基于ZigBee無線通訊協(xié)議，來實現(xiàn)高速公路氣象數(shù)據(jù)的采集與無線傳輸，使得在氣象情況變化時，高速公路上的駕駛員可以及時的收到提醒及警示，以此來達到安全駕駛減少高速公路事故的目的。

在驗證階段，以5個節(jié)點構成的小型ZigBee無線傳感網(wǎng)絡為實驗對象，在成功組網(wǎng)后，上位機可以有效實時的收到子節(jié)點所采集到的氣象數(shù)據(jù)，并通過分析處理正確發(fā)布氣象信息，實現(xiàn)所要求的目的。

［1］楊忠來．高速公路交通事故成因分析及預防［J］．太原科技，2003，24（6）：62－63．

［2］田小毅，吳建軍，嚴明良，等．高速公路低能見度濃霧監(jiān)測預報中的幾點新進展［J］．氣象科學，2009，29（3）：414－420．

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

［4］郭宏福，白麗娜，郭志華．2．4GHz ZigBee數(shù)傳模塊傳輸距離的估算方法［J］．西安電子科技大學學報，2009，36（4）：691－695．

［5］沈建華，郝立平．STM32無線射頻ZigBee單片機原理與應用［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2010．

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

［7］曾芬，焓濕圖的解讀與應用［J］．廣東科技，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

圖5 節(jié)點軟件流程圖

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．009

TP3，TN92

A

1000－3886（2014）04－0026－02

樂佳琪（1989－），男，上海人，碩士生，主要研究方向為Zig-Bee無線通訊技術。

定稿日期：2013－10－23