基于ZigBee技术的自动气象站数据无线传输研究.pdf
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1、科技与创新Science and Technology&Innovation682023 年 第 20 期文章编号:2095-6835(2023)20-0068-03基于 ZigBee 技术的自动气象站数据无线传输研究陈国强,文斌青,张晓平(青海省大气探测技术保障中心,青海 西宁 810000)摘要:针对自动气象站有线数据传输链路无备份通信方式的问题,提出采用基于 ZigBee 技术的无线数据传输方式作为备份,研究把 ZigBee 技术应用于自动站通信系统实现气象数据的无线传输。经测试,基于 ZigBee 技术的自动站无线数据传输链路数据传输稳定可靠,传输成功率完全达到业务要求,具有较好的应用
2、前景。关键词:ZigBee;无线传输;自动气象站;数传模块中图分类号:P415.12文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.20.019现有国家级自动气象站主要通过有线传输线路将数据传输到业务计算机。有线数据传输线路一般采取掩埋式布设方法进行布设,经长时间运行,通信线路容易腐蚀或者受鼠虫害的影响导致线路的物理链接中断,从而导致气象观测数据传输中断。目前国家级台站均使用新型自动站开展地面气象观测业务,本省普遍使用的 DZZ4 新型自动站采用“串口服务器+光纤”的有线方式实现所有观测数据的汇集和传输。在实际业务过程中,时常发生串口服务器故障或光纤断路影响数据传输的情况。
3、串口服务器由于备件不足,台站该设备发生故障后需要从省级保障部门调配备件,设备恢复时间周期较长;如果光纤发生故障,由于熔接技术要求高,需要专用仪器,一般需要电信部门的专业人员进行维修,完成修复也比较耗时,从而影响气象数据传输时效。ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。本文提出将ZigBee 无线传输方式作为自动气象站的应急备用通信方式,当自动站有线数据传输出现故障无法及时修复时,可立即切换到无线方式进行数据传输,保障气象数据传输的连续性和完整性。1ZigBee 技术概述1.1几种无线传输技术比较物联网中的无线技术正在成为当下的研究热点,短距离无线传
4、输技术主要有蓝牙、Zigbee、Wi-Fi 等。蓝牙(BlueTooth)技术是实现移动与固定设备间通信的无线技术,通过统一公开协议,有效融合计算机及通信技术,使便携式设备能够通过无线相互通信,常用于无线鼠标、无线键盘或手持移动终端等。Zigbee是一种典型面向低传输速率的短距离无线传输技术,是物联网感知层的组成部分,在数据传输量不大的情况下,Zigbee 技术非常适用,多应用于医疗保健、家庭自动化、楼宇智能控制、井下定位和工业自动化等领域。Wi-Fi 与蓝牙技术一样,同属于短距离无线技术,覆盖范围则可达 300 英尺左右(约合 90 m)。该技术与蓝牙技术相比在数据安全性方面要差一些,但是在
5、电波的覆盖范围方面则要略胜一筹。根据气象数据传输距离远(一般为 100200 m)、稳定性要求高、数据量小、传输频次高、安全性要求高等特点,几种无线传输技术中,ZigBee 技术较适用于气象数据的传输。1.2ZigBee 无线传输技术的特点分析ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议,ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,主要适用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。作为一种低成本的近距离无线组网通信技术,ZigBee 是一个由可多到 65 535 个无线数传模块组成的数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee 网络数传模块之间可以相
6、互通信,每个网络节点间的距离理论上可以从标准的 75 m 无限扩展。ZigBee网络层支持星状、树状和mesh网络拓扑1。在星状拓扑中,网络由协调器单个设备控制,协调器起到了启动和维护网络中设备的作用,所有设备直接和协调器通信。在 mesh 和树状拓扑中,ZigBee 协调器的职责是启动网络,网络延展性可以通过路由来扩充。在树状网络中,路由在网络中通过分层策略中继数据和控制信息。在 mesh 网络中允许所有路由功能的设备直接互连,由路由器中的路由表实现消息的网状路由,使得设备间可以对等通信。路由功能还能够自愈 ZigBee 网络,当某个无线连接断开,路由功能又能自动寻找一条新的路径避开断开的网
7、络连接。ZigBee执行基于 AODV 专用网络的路由协议,该协议有助于Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期69网络处理设备移动、连接失败和数据包丢失等问题。网状拓扑减少了消息的延时,同时增强了可靠性。ZigBee 技术不存在隐藏线路的布设,所有模块和接线清晰、简单,近年来得到了越来越广泛的关注和应用,市场上已经出现了大量与 ZigBee 相关的产品,该通信技术逐渐趋于成熟,得到了较广泛的应用。艾红等2建立了基于 ZigBee 无线传输的供暖温度监测系统,避免了有线传输布线困难问题,对供暖系统进行实时的温度监测;BODUNDE
8、等3将 ZigBee 通信技术应用于供水机械,推断水泵的流量;刘雁4将 ZigBee无线通信模块与气压等终端传感器结合在一起,设计实现了对有害气体浓度的精确检测;GUAN 等5将ZigBee 通信技术应用于对建筑火灾的感知与预防,大大提高了消防安全水平。在气象领域的智能气象站采集系统中,智能气象要素传感器与主控制器的通信采用 ZigBee 通信机制,实现了基于 ZigBee 无线技术的气象数据的采集6,具有组网速度快、节点灵活、无需布线、工作稳定等优点。国家级气象台站一般自动气象站到业务值班室的直线通信距离在 100 m 以内,之间一般不存在严重遮挡,在使用 ZigBee 通信技术上具有良好的
9、布设条件与应用前景。2基于 ZigBee 技术的自动站无线数据传输的实现ZigBee无线数据传输功能可以通过ZigBee数传模块实现,ZigBee 数传终端通常应用于复杂的外部环境。数传模块可以配置成点对点通信模式,当 2 个模块的通道号(Channel)和网络标识符(PAN ID)配置成相同时,这 2 个模块可以进行互相通信。选配适用于自动气象站数据传输的ZigBee数传模块嵌入到自动站通信链路中,实现气象数据从采集终端到业务计算机的无线透明传输。ZigBee 设备总共有 3 种设备类型:协调器、路由和终端设备。它们都可以用来发送和接收数据。协调器是启动 ZigBee 网络的设备,它是网络中
10、的第一个设备。协调器扫描现存网络的环境,选择信道和网络标识符,然后启动网络。当协调器启动和配置网络完成后,协调器就运行类似路由的功能。协调器组完网后,即使移除协调器,网络仍然可以由路由继续维持运行。路由设备可以允许其他设备加入网络,路由中继多跳数据并且可以协助它的终端子设备实现通信功能,因此作为数据传输设备路由传输数据性能优于终端设备。终端设备没有特定的维护网络的功能,采用定时轮询方式接收数据,作为数据传输设备不能保证立刻可以接收到数据,因此它可以选择性地休眠和唤醒。一个 ZigBee 网络只需要一个协调器,其他的配置为路由或者终端设备7。基于 ZigBee 技术的数据传输网络,可以将业务计算
11、机端 ZigBee 数传模块设置为协调器,采集器端数传模块设置为终端设备。2.1无线数传模块选配基于 ZigBee 无线传输链路的搭建,需要在自动气象站数据采集端和业务计算机接收端分别加装数传模块,配置通信参数,从而建立无线数据传输网络。依据地面气象观测数据发送频率高、数据量小、及时率要求高的特点,选配适用于气象数据传输的 ZigBee 模块,需遵循功耗低、接口简单、通信距离远、信号稳定等原则。2.2系统连接将 ZigBee 数传模块嵌入到自动站通信系统中,搭建起基于ZigBee技术的自动气象站到业务计算机的无线数据传输链路,实现数据透明传输功能。在自动气象站数据采集端,将数传模块固定在自动站
12、机箱内,通过 RS232 数据线将数传模块连接到自动站采集器通信串口,接入供电电源及模块天线;在计算机端,接入 USB 转 RS232 通信串口线,为数传模块的接入提供数据接口,模块接入串口,连接好供电电源及模块天线。系统逻辑结构示意图如图 1 所示。图 1系统逻辑结构示意图2.3参数配置ZigBee 在 IEEE 802.15.4 规范中定义 3 个工作频段,其中在国内普遍使用的 2.4 GHz 公用频段上有16 个信道。ZigBee 网络又称个域网,每个个域网有唯一的标识符(PAN ID),又称网络号,这个标识符在同一网络的所有设备中是共用的4。通过 ZigBee 模块配置软件配置数传模块
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