宋樹禮 陳冬冬 王柏林

(1 山東省日照市莒縣氣象局，莒縣 276500； 2 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081； 3 中國華云氣象科技集團公司,北京 100081)

引言

近年來，我國在地面氣象觀測自動化方面進行了大量探索和實驗，取得了卓有成效的進展，隨著地面氣象觀測設備的不斷增多，地面氣象觀測系統(tǒng)不斷擴展，其中山地、灘涂等受環(huán)境因素的影響不宜采用地下管線或隔空布設；溫度變化影響模擬信號的采集；電磁環(huán)境對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。常見的新型地面自動氣象觀測設備采用RS232、CAN總線等有線方式傳輸數(shù)據(jù)。采用有線方式進行實時數(shù)據(jù)傳輸具有可靠性高、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，但不適合在環(huán)境惡劣、布線不便的場所建站，觀測要素的擴展也受一定限制[1-2]。針對上述情況，設計支持CAN總線和ZigBee無線傳輸?shù)臉I(yè)務原型站，將硬件中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，實時把自動觀測數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸匯集到綜合集成硬件控制器，所有觀測數(shù)據(jù)通過綜合集成硬件控制器傳輸?shù)絀SOS軟件，最終實現(xiàn)自動觀測數(shù)據(jù)采集、質(zhì)控、處理、上傳和業(yè)務應用。

1 無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

ZigBee協(xié)議的原型觀測站無線傳輸系統(tǒng)主要由各傳感器終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點、協(xié)調(diào)器(無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器)等組成，串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊工作在透傳方式，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點之間每分鐘進行心跳交互；串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊具有數(shù)據(jù)采樣、處理、質(zhì)控、存儲和通信等功能，采集數(shù)據(jù)最后經(jīng)過綜合集成硬件控制器傳到業(yè)務值班室，在ISOS軟件上進行人機交互并形成上傳數(shù)據(jù)文件，再通過國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)2.0(CTS2.0)上傳到省級中心站，經(jīng)CIMISS平臺質(zhì)控后上傳至國家信息中心[3-5]。ZigBee無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

圖1 ZigBee無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 無線傳輸系統(tǒng)硬件設計

ZigBee網(wǎng)絡具有對等結(jié)構(gòu)、樹簇結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)3種拓撲結(jié)構(gòu)，星型結(jié)構(gòu)所需協(xié)調(diào)器較少，協(xié)調(diào)器的功耗通常是終端節(jié)點設備功耗的幾十倍，因此本系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)降低整體功耗[6-12]。并基于現(xiàn)有的新型自動氣象站觀測設備進行改造，改進后既能滿足無線通信需求，又可兼容現(xiàn)有的有線通信方式，觀測場地數(shù)據(jù)流傳輸如圖2所示。

圖2 觀測場地數(shù)據(jù)流傳輸

各傳感器均增加無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器，加裝一個橫臂并使用安裝背板將無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器掛接在橫臂上。將無線協(xié)議轉(zhuǎn)換的串口連接到儀器設備采集器的一個備用串口上，根據(jù)無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的串口配置要求，配置采集器的串口參數(shù)。傳感器不再通過線纜與采集器連接，無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用系統(tǒng)集成技術(shù)，外接電源、天線、RS232采集及調(diào)試接口，內(nèi)置時鐘、A/D轉(zhuǎn)換電路、程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器等。

(1)電源：傳感器采用外置電源接口連接太陽能板或其他供電設備給傳感器供電，外接電源供電電壓為5～15 V，傳感器能夠自適應外接電源電壓范圍要求。

(2)天線：無線通信天線選用頻率2.4 GHz、增益小于12 dBi的天線。天線安裝位置需保障正常通信。

(3)時鐘：自帶高精度實時時鐘，時鐘走時誤差小于等于1 s/日，接受集成處理器定時校時，校時誤差小于1 s。

(4)A/D轉(zhuǎn)換電路：選擇16位以上的A/D轉(zhuǎn)換電路、滿足傳感器測量精度要求。

(5)存儲：程序存儲器選用非易失性的、容量能滿足應用軟件容量要求，并具有50%的余量。數(shù)據(jù)存儲器選擇非易失性的、容量能滿足10 d以上分鐘觀測要素及狀態(tài)要素存儲要求。

(6)通信接口：ZigBee天線接口用于安裝ZigBee外置天線，RS232串口通信接口與外置電源接口共用一個5芯航空插座。

(7)檢測電路：主要包括主板溫度測量、電池電壓檢測、通信狀態(tài)檢測。

3 無線傳輸系統(tǒng)流程設計

3.1 無線通信參數(shù)

數(shù)據(jù)采用ZigBee無線通信技術(shù)，無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS232串口和ZigBee無線通信轉(zhuǎn)換功能，網(wǎng)絡層無線通信參數(shù)如表1所示：

表1 ZigBee無線通信參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)交互指令

無線端數(shù)據(jù)交互指令遵循《新型自動氣象(氣候)站功能規(guī)格需求書》。無線端應用層交互指令主要包括：支持CI(認證)、DM(讀取)、DO(補收)、DT(對時)、SW(模式)等指令。

3.3 無線傳輸流程

無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器上電后，內(nèi)置ZigBee無線模塊基于ZigBee自組網(wǎng)功能，自動加入由附近Zigbee協(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡，并按如下流程執(zhí)行：

(1)無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和無線綜合集成硬件控制器之間根據(jù)自動氣象站的CI指令過程，完成網(wǎng)絡初始化，包括對設備ID號、SN號進行認證。

(2)無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器實時監(jiān)聽無線網(wǎng)絡端發(fā)來的數(shù)據(jù)。

(3)無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器檢測到數(shù)據(jù)讀取指令如DM，則無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器將DM指令轉(zhuǎn)換為滿足氣象數(shù)據(jù)字典協(xié)議的READDATA指令，并通過串口發(fā)送至儀器設備內(nèi)部完成數(shù)據(jù)采集。其中，數(shù)據(jù)讀取指令只能識別滿足自動氣象站與無線通信協(xié)議格式的無線數(shù)據(jù)。

(4)無線協(xié)議轉(zhuǎn)換器在一定時間內(nèi)等待采集器串口的響應數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送出去。

4 無線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互機制設計

4.1 長包拆分機制

ZigBee網(wǎng)絡層對數(shù)據(jù)包長度有限制，因此采用數(shù)據(jù)包拆分機制，將自動氣象站的大數(shù)據(jù)包拆分成多個滿足Zigbee網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行發(fā)送。每個數(shù)據(jù)包的開頭增加一個包頭用來指示當前分包的狀態(tài)，每個數(shù)據(jù)包長度不超過200個字節(jié)，包頭格式如下：

[#][ID][PB][,][分包計數(shù)，從1開始累積][分包總個數(shù)][當前分包字節(jié)數(shù)][,][正文]

例如：ID號為001的傳感器，需通過ZigBee無線發(fā)送420個字節(jié)的數(shù)據(jù)，則自動數(shù)據(jù)包將拆分成3個數(shù)據(jù)包(第1、第2個數(shù)據(jù)包各為200個字節(jié)，第3個數(shù)據(jù)包為20個字節(jié))發(fā)送。

[#001PB,0103200,BE….]

[#001PB,0203200,….]

[#001PB,0303020,….ED]

4.2 無線傳輸數(shù)據(jù)格式

地面氣象觀測要素采用ZigBee無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式與有線數(shù)據(jù)傳輸格式保持一致，遵循《地面氣象數(shù)據(jù)對象字典》格式，即BG…ED的數(shù)據(jù)格式，與有線數(shù)據(jù)傳輸格式的區(qū)別是將無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包(BG…ED)中的ID域更換為傳感器的ID號，方便于ZigBee無線網(wǎng)絡管理。

5 結(jié)論

針對地面業(yè)務原型站氣象觀測數(shù)據(jù)采集傳輸需求，本文采用基于ZigBee無線網(wǎng)絡構(gòu)建地面氣象觀測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，具有易組網(wǎng)、功耗低、易擴展等特點，可同時完成多個氣象要素的實時采集，數(shù)據(jù)采集終端均采用模塊化設計，可方便后續(xù)功能擴展，該系統(tǒng)在北京觀象臺運行3年多來，效果良好，將為下一代地面氣象觀測系統(tǒng)的設計提供基礎。