基于ZigBee无线组网的微型气象站设计

摘 要：针对传统气象站数据采集精度低和建站成本高等缺点，设计了一种基于ZigBee无线组网的微型气象站，该气象站以ZigBee技术为依托，构建无线传感器网络来完成数据的实时采集、存储和传输。结果表明，ZigBee无线网络可使微型气象站建站更简单、功耗低、采集精度高，从而保证了气象监测数据的稳定传输。

关键词：ZigBee；微型气象站；无线传感器网络；无线组网

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

由于我国面积大，使得气象监测覆盖范围过小，加上传统的气象数据采集具有灵活性差、功耗大、稳定性低等缺点，很难得到准确的气象数据。人们生活水平提高的同时对气象预报的要求也越来越高[1，2]。当前普遍使用的气象站各气象要素之间的监测都相互独立，系统的开放性和兼容性不高[3]，并且气象传感器互换性能差，整个系统庞大，系统功耗大，这就使得传统气象站的建站成本高，不宜大规模建站[4]。所以，建立微型气象站势在必行，其具有成本低和建站简单等特点，有利于气象监测的全面化和提高监测的准确性。

随着通信技术、传感器技术和计算机技术的快速发展，无线传感器技术在许多领域得到广泛应用[5，6]。ZigBee技术具有组网能力强、功耗低、复杂度低等特点[7，8]，能够很好地满足微型气象站的要求，使气象数据的采集、传输和处理更加简捷化和智能化。本文采用ZigBee技术搭建无线传感器网络，从而完成微型气象站系统中的气象要素（风向、风速、温度、湿度、大气压力、雨量等）的采集、传输和处理。

1 系统总体结构设计

基于ZigBee无线组网的微型气象站监测系统把无线传感器网络配置成星形网络，设置一个ZigBee节点为网络的协调器，其他节点为ZigBee的终端设备。微型气象站系统中的气象传感器模块把采集到的气象数据传输给ZigBee的终端节点，终端设备在接收到采集的数据后再传输给网络的协调器，协调器将风向、风力、温度、湿度、降雨量等智能传感器测量的数据和ZigBee的设备型号传输给计算机终端处理，完成整 个气象数据采集、传输和处理的过程。

本系统的总体设计框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 气象监测点设计

微型气象站的监测点设计框架如图2所示。其中，数据采集模块是由风力传感器、风向传感器、温度传感器等气象要素传感器组成。传感器通过I/O接口与通信和处理模块相连接。

2.2 ZigBee模块

本系统用的ZigBee模块是由TI公司推出的CC2530芯片。它支持IEEE802.15.4/ ZigBee协议，是面向短距离自动控制领域设计的无线通信技术标准，工作在2.4 GHz频段，该频段是全球统一不需要申请的免费频道。同时，每个ZigBee网络节点可以连接三十多个传感器和受控设备。CC2530芯片集成了8051单片机内核和CC2520射频芯片的系统芯片，支持低功耗模式。本文选用的是CC2530F256，该芯片集成了256 KB可编程闪存和8 KB RAM，具有各种供电方式下的数据保持能力，并且包含了8路可配置的12位ADC、1个通用的16位定时器和2个8位定时器，以及21个可编程的I/O口，具有极高的灵敏度和抗干扰能力[9]。此外，CC2530芯片只需要极少的外接原件即可形成一个应用系统。因此，基于ZigBee技术的无线传感器网络构建简单，成本低。

3 软件设计

3.1 PC机控制中心功能设计

微型气象站监测系统中的各种传感器采集的数据最终都要传输到PC机的中央处理单元，对数据进行分析、管理和显示，因此，PC机的控制中心平台应包括初始化、数据采集、组网和数据显示等功能。具体框架如图3所示。

初始化模块用来初始化I/O接口和ZigBee节点，组网模块根据网络的拓扑架构搭建系统需要的传感器网络。数据采集模块主要用来设定气象数据采集的方式，并完成数据的处理和发送，显示模块把采集到的数据直观的显示出来，以便于分析和管理。

3.2 组建网络

在组网之前要对每个ZigBee节点进行配置，节点的初始配置在PC机的控制中心进行，传感器连接到PC机，把初始配置信息写入每个节点，确定设备的类型，协调器通过设备对象层向网络层发送网络形成要求，获取16位短地址，网络建成。终端设备发送网络发现请求，收到网络发现确认后，发送加入网络请求，获取16位短地址。然后发送IEEE地址请求，当被确认后，即完成了绑定。如果要实现多点通信就是将多个终端与协调器绑定，即实现了组网过程。简而言之，ZigBee无线网络的软件流程主要包括设备的初始化，建立网络，加入网络，采集数据，发送数据，接收数据，并将数据传输给PC机等。ZigBee协调器程序流程图如图4所示，终端设备程序流程如图5所示。

从程序流程图可以看出，本设计中使系统工作在休眠状态可以降低无线传感器的功耗，并定期由定时器进行唤醒，通过缩短系统工作时间来达到降低系统功耗的目的。

4 测试结果

为了测试所设计的微型气象站系统的效果，在校园内比较开阔的地方安装放置了本论文设计的微型气象站，并定期进行数据采集，测试结果是各种气象元素的数值，如表1所示。同时，在表1列出了来自气象局的各种气象元素的数值。可以从表1中看出，微型气象站监测的气象元素数值与气象局的数值相比较没有太大差别。这也验证了设计的基于ZigBee无线组网的微型气象站具有监测精度高、可靠性强等特点，并且建站简单，成本低。

5 结 语

本文基于ZigBee无线组网技术，设计了一种微型气象站，把温度、风力、风向、湿度、雨量等气象要素的监测值，利用ZigBee技术进行无线传输，并设计了PC机控制中心平台，对气象数据进行采集、存储和处理。通过安置微型气象站监测气象要素并与来自气象局的数据进行对比，验证了微型气象站监测数据的可靠性和稳定性。实验表明，基于ZigBee无线组网的微型气象站具有建站简单、数据传输效率高等特点，符合气象监测的要求，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 周欣，行鸿彦，季鑫源.多功能自动气象站控制与管理系统[J].电子测量与仪器学报，2011，25（4）：348-354.

[2] 何蕴良，耿淑琴，汪金辉.基于ZigBee无线传感的空气温湿度监测系统设计[J].现代电子技术，2015，38（18）：133-136.

[3] 徐兵.基于ZigBee的自动气象站系统的设计 [D].南京：南京信息工程大学，2008.

[4] 胡玉峰.自动气象站原理与测量方法[M].北京：气象出版社，2004：12-66.

[5] 王殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：32-33.

[6] 宁炳武，刘军民.基于CC2430的ZigBee网络节点设计[J].电子技术应用，2008（3）：95-99.

[7] 彭燕.基于Zigbee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011，34（5）：49-51.

[8] 昂志敏，金海红，范之国，等.基于Zigbee的无线传感器网络节点的设计与通信实现[J].现代电子技术，2007，30（10）：47-50.

[9] 青岛东合信息技术有限公司.Zigbee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.