基于ZigBee技术的自动气象站数据无线传输研究.pdf

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。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 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参数，需要设置串口参数和 ZigBee 通信参数。参数设置时，计算机端模块节点类型设置为协调器，终端设备端模块节点类型可设置为路由或终端。一个 ZigBee 网络有且只能有一个协调器，它起到组网的作用，这样其他的ZigBee 设备（路由或终端）才能找到相应的网络并加入。协调器和终端设备的物理信道和网络号必须一致，相当于处在同一局域网下的设备才能互相通信。其中ZigBee 网络信道号从 11 到 26 共计 16 个信道，可选其中任意一个；网络号的范围为 065 531，可任意设置。ZigBee网络RS232ZigBee 数传模块自动气象站业务计算机ZigBee 数传模块RS232科技与创新Science and Technology&Innovation702023 年 第 20 期分节点地址即为设备 ID 号，ID 号在一个网络中必须是唯一的，若一个网络中有多台设备，则分节点地址是不可重复的，模块透传地址即为最终目的地址。ZigBee 模块的通信参数需与之配套使用的终端设备的通信参数保持一致。3数据传输测试为验证搭建的自动气象站ZigBee无线数据传输链路的可用性，将选购的 ZigBee 数传模块接入自动气象站，进行气象数据无线传输测试。3.1室内组网测试计算机通过 RS232 串口接入 2 台 ZigBee 数传模块，设置模块网络参数。在计算机上分别打开 2 个串口通信软件，互相发送任意字符，进行数据收发测试。通过测试发现，2 台 ZigBee 数传模块都能顺利接收到对方发送的字符信息，数据无线传输功能正常，为下一步开展气象数据传输测试奠定了基础。3.2室外气象数据传输测试测试用室外自动气象站距离室内业务主机约200 m，垂直高度差约 3 m，终端设备与业务主机间无明显遮挡，通信条件与省内大部分气象台站的实际情况相当，测试结果具有一定的代表性。室外数据传输测试，首先完成硬件连接。将 ZigBee模块接入 DZZ4 新型自动站，采用 RS232 串口接线方式将 ZigBee 数传模块接到自动站采集器的 COM 口8，连接好天线及 DC12 V 的供电，检查模块的参数配置。自动气象站采集器接入温湿度和气压传感器，便于检查传输的数据是否准确。室内将 ZigBee 模块接入业务计算机，接好电源及天线，确保模块能顺利接收到自动站数据。测试软件采用目前气象台站使用的地面综合观测业务软件（ISOS），根据实际情况修改软件的串口通信参数，挂接实际的观测项目，开展气象数据的无线传输测试。自 2022-09-10 起，开展了 3 次 ZigBee 无线数据传输测试，测试结果如表 1 所示。表 1无线数据传输测试表测试编号应观测次数实际观测次数观测成功率/%14 0924 08799.8825 7605 72999.4635 7604 99386.63前 2 次的测试显示：采用 ZigBee 无线传输技术的自动站数据传输网络采集的气象数据既准确又完整，通信成功率达 99.88%，完全满足自动气象站数据传输的需要。在第 3 次测试中，传输成功率只有 86.63%。对其原因进行了分析，具体如下：ZigBee 数传模块连续运行 7 d，信号传输质量有所下降。在测试过程中的某天，接收天线附近停了一辆大型箱式货车，箱体金属面对信号产生反射，对数据传输造成了较大影响，数据传输丢包现象严重。货车驻留期间，数据传输一直失败。货车离开后，传输才恢复正常。所以为保证较好的传输质量，模块天线的放置应遵守以下原则：尽量远离大面积的金属平面及地面；天线尽量保证可对视状态；尽量减少天线之间的障碍物；尽量缩短天线与模块之间的馈线长度。测试过程经历了晴好和阴雨天气，而测试结果差别不大，因此天气状况对 ZigBee 无线传输质量的影响不明显。此外，为了保证气象数据的安全性，还可以对 ZigBee 数传模块设置网络秘钥和链路秘钥，在一定程度上确保数据的安全传输。4ZigBee 网络配置中的常见问题及解决方法在 ZigBee 数传网络使用过程中，经常会遇见无线网络连接失败的问题，其产生的原因是多样的，下面总结了一些常见的问题以供参考。问题一：模块参数配置不成功。解决方法：检查确认串口端口号是否正确，串口属性是否配置正确，如波特率、奇偶校验等参数。问题二：配置了参数，但不能组网成功。解决方法：首先检查天线是否已经安装好，然后检查网络参数是否配置正确，如网络号、网络节点号、信道。如果都正确，可尝试恢复出厂配置后，再重新配置一遍参数后组网。问题三：组网成功，但不发送数据。解决方法：先确认 2 个测试设备是否靠得太近（距离 20 cm 以内），其次确认在相应工作模式使用相应的发送数据方式。问题四：模块不能进入睡眠。解决方法：确认休眠模式为定时休眠或深度休眠，如果定时休眠，检测下休眠时间和唤醒时间是否为 0，如果为 0 则不会进入休眠。如果是深度休眠，检测控制脚是否连接正确，电平是否正确（高电平睡眠、低电平唤醒）。5结束语基于ZigBee无线技术的自动气象站数据传输系统具有组网速度快、无需布线、工作稳定等优点9。将ZigBee 数传模块嵌入到新型自动气象站通信系统中，可作为有线数据传输链路的有益备份，实现气象数据的透明传输。当自动气象站有线数据传输线路出现故障时，只需在气象观测业务软件中将设备串口通信（下转第 73 页）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期73（b）箱梁图 2CS3 工况下结构变形云图4结论本文根据斜交钢箱梁顶推施工的实际工程状况，基于有限元模型，详细分析了在顶推施工过程中连续钢箱梁及导梁的受力情况，并得到了以下结论：该桥梁结构在顶推施工过程中最大应力值均未超过Q345 的材料强度设计值，满足规范要求；斜交顶推施工中结构最大应力往往出现在箱梁同一侧顶推支点处，有明显规律可循，在设计阶段应予以考虑；不同于常规顶推施工，斜交顶推过程中需要重点注意非对称支承工况下的结构受力。从本文的研究可以看出，虽然非对称支承阶段的最大应力及竖向变形值基本与结构处于悬臂状态时一致，但明显呈现非对称分布的情况，因此在斜交顶推过程中同时需要考虑结构抗倾覆。参考文献：1陈示光.桥梁工程钢箱梁顶推施工技术C/2021 年全国工程建设行业施工技术交流会.2021 年全国工程建设行业施工技术交流会论文集（下册）.北京：施工技术编辑部，2021：141-144.2梁爱斌，王春生，徐岳.采用 MATLAB 语言开发连续梁桥顶推施工结构分析程序J.交通与计算机，2000（5）：57-61.3颜全胜，王卫锋，邹小江.顶推法施工过程仿真分析软件的研制J.世界桥梁，2003（3）：66-69.4黄平明.混凝土斜梁桥M.北京：人民交通出版社，2000：84-118.5王荣辉，张俊平，邱波.薄壁斜交箱梁的斜形板梁有限单元法J.中国公路学报，2000（3）：41-44.6盛兴旺，曾庆元.斜交箱梁的板梁段有限元法J.中国铁道科学，2004（3）：55-60.7陈绍礼.钢结构稳定设计：理论与实践J.建筑钢结构进展，2002（4）：12-17.作者简介：周帆（1998），男，本科，助理工程师，研究方向为桥梁施工。通信作者：王金龙（1992），男，本科，助理工程师，研究方向为工程施工。（编辑：丁琳）（上接第 70 页）参数做相应修改，即可实现从有线到无线传输的快速切换10。经测试，ZigBee 无线数据传输稳定可靠，成功率高，完全能满足自动站应急通信的需要，具有较好的应用前景。参考文献：1龚贤创，杨维发，杨代才，等.基于 ZigBee 技术的无线气象数据采集系统的设计与实现J.气象科技，2015，43（4）：607-611.2艾红，邱靖鹏.基于 ZigBee 无线传输的供暖温度监测系统研究J.现代电子技术，2018，41（23）：113-117，122.3BODUNDE O P，ADIE U C，IKUMAPAYI O M，etal.Architectural design and performance evaluation of a ZigBeetechnologybasedadaptivesprinklerirrigationrobotJ.Computersandelectronicsinagriculture，2019，160：168-178.4刘雁.基于 ZigBee 通信和 ARM 控制器的车内有害气体浓度带电检测J.中国电子科学研究院学报，2018，13（6）：725-731.5GUAN Y X，FANG Z，WANG T R.Fire risk assessment anddaily maintenance management of cultural relic buildingsbased on ZigBee technologyJ.Fire science&technology，2018，211：192-198.6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，2008.7鞠春光.Zigbee无线传输技术在数字图书馆中的应用J.硅谷，2012（9）：126，132.8候洪丽，张霄霞，王福明.ZigBee 无线传输技术综述J.山西电子技术，2011（4）：84-86.9张兵，林建辉，伍川辉.基于 ZigBee 技术无线传输网络的设计与实现J.仪表技术与传感器，2009（2）：49-52.10吕抒航.综合集成硬件控制器在气象数据通信传输中的应用J.气象研究与应用，2017，38（1）：128-130.作者简介：陈国强（1980），男，工程师，主要从事自动气象站技术保障工作。（编辑：王霞）