CN102137512A - 基于无线传感网的自动气象站 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感网的自动气象站，包括统一协调其它各个模块工作的处理器模块、及与后台主工作站进行信号传输的无线通信模块、还包括设置在气象站节点处用于气象要素采集和监测的传感器模块、用于储存数据的存储模块、及电源模块，处理器模块分别与存储模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块相连。处理器模块统一协调其它各个的模块的工作。处理器模块控制传感器模块采集气象数据，并对数据进行处理。处理器模块将处理好的数据储存到存储模块中，并且通过无线通信模块发送到后台主工作站。处理器模块也可以并且通过无线通信模块接收来自主工作站发送的控制信息，控制整个自动气象站节点的工作。节点能够有效准确的采集数据，抗干扰性强。能够方便的添加更换气象要素节点，具有一定的经济效益。

Description

基于无线传感网的自动气象站

技术领域

本发明涉及一种气象站，尤指一种基于无线传感网技术的自动气象站，通过散布的无线传感网节点，自组网络进行气象要素采集和监测。

背景技术

目前国内的自动气象站大多是有线的自动气象站，一般可以采集温度、湿度、风速、风向、气压、雨量六个气象要素。随着环境日益变化，如果需要添加新的气象要素，则需要更换整个自动气象站，其布线成本高。对于山区或者极地等一些复杂地形，维持一个传统的自动气象站代价过高。公开号CN1402020A公布了一种自动气象站，该气象站由多种传感器、数据采集器、前置控制机、主控制机、通过各种接口连接而成，能够实现观测和实时处理的功能。但是该自动气象站采用的是有线方式，布线成本高，维护不方便，对于一些环境恶劣、地形复杂的地方，人员不能到达的区域或者临时灾害区域无法实现气象数据的有效采集和监测。随着计算机、电子技术、机械设计等学科的迅猛发展，孕育出了一种新型的信息监控网络----无线传感网。无线传感器网是一组由传感器Ad hoc（点对点）方式构成的无线自组网络。其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖地理区域并感知对象的信息，发布给观察者。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于无线传感器网的自动气象站节点，该发明有效的克服了以上缺点，降低了布线成本，维护方便。实现了长期无人看守情况下，对气象要素的采集和监测。

本发明通过以下技术方案实现发明目的：

一种基于无线传感网的自动气象站，包括统一协调其它各个模块工作的处理器模块、及与后台主工作站进行信号传输的无线通信模块、还包括设置在气象站节点处用于气象要素采集和监测的传感器模块、用于储存数据的存储模块、及电源模块，处理器模块分别与存储模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块相连。处理器模块统一协调其它各个的模块的工作。处理器模块控制传感器模块采集气象数据，并对数据进行处理。处理器模块将处理好的数据储存到存储模块中，并且通过无线通信模块发送到后台主工作站。处理器模块也可以并且通过无线通信模块接收来自主工作站发送的控制信息，控制整个自动气象站节点的工作。

无线通信模块与处理器模块相连，在处理器模块的控制下向主工作站发送数据，并且可以接收来自主工作站的控制信息。

存储模块：自动气象站节点需要存储大容量的数据，在本系统设计过程中，外扩了64M的NandFlash用于存储数据。将NandFlash作为数据文件存取单元，并在上面制作JFF2文件系统，实现系统信息的掉电保护。

传感器模块：传感器模块包括温湿度传感器、雨量传感器等。自动气象站节点通过传感器模块采集温湿度、雨量等气象要素，将采集的模拟信号经过A/D转换为数字信号，得到所测量的温度或雨量值。传感器模块将数据发送至处理器模块，由处理器模块进行统一协调工作。

电源模块：自动气象站无需安排人值守，有些气象要素节点处需要安置在地理环境恶劣的地方，具有移动性。所以采用2节干电池电池统一供电。无线传感器网节点中耗电量最大的就是无线通信模块，本文设计中采用低功耗设计模式。以温度为例，在短时间内一般不会发生突变。一般情况下，无线通信模块进入休眠状态，若当前数据与历史数据相比，变化大于0.1摄氏度，唤醒无线通信模块，向主工作站发送消息。为了保证数据准确性，设置定时器，每半小时唤醒无线通信模块发送数据一次。

有益效果：

随着技术进步，无线传感网被广泛的应用于军事、环境科学、医疗、空间探索、以及其它的商业用途。该发明将ZigBee无线传感器网应用到自动气象站，设计了一种新型的无线自动气象站节点，采用S3C2410为其主控芯片，Linux作为操作系统，CC2420作为无线收发芯片。节点能够有效准确的采集数据，抗干扰性强。能够方便的添加更换气象要素节点，具有一定的经济效益。对于一些环境恶劣、地形复杂的地方，人员不能到达的区域或者临时的场合(如发生自然灾害时)更具有深远意义。

附图说明

图1 为自动气象站节点工作框图

图2 为自动气象站节点设计框图

图3 为自动气象站节点无线通信模块电路原理图

图4 为自动气象站节点温湿度传感器模块电路原理图

具体实施例：

一种基于无线传感网的自动气象站，包括统一协调其它各个模块工作的处理器模块、及与后台主工作站进行信号传输的无线通信模块、还包括设置在气象站节点处用于气象要素采集和监测的传感器模块、用于储存数据的存储模块、及电源模块，处理器模块分别与存储模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块相连。处理器模块统一协调其它各个的模块的工作。处理器模块控制传感器模块采集气象数据，并对数据进行处理。处理器模块将处理好的数据储存到存储模块中，并且通过无线通信模块发送到后台主工作站。处理器模块也可以并且通过无线通信模块接收来自主工作站发送的控制信息，控制整个自动气象站节点的工作。

无线通信模块与处理器模块相连，在处理器模块的控制下向主工作站发送数据，并且可以接收来自主工作站的控制信息。

存储模块：自动气象站节点需要存储大容量的数据，在本系统设计过程中，外扩了64M的NandFlash用于存储数据。将NandFlash作为数据文件存取单元，并在上面制作JFF2文件系统，实现系统信息的掉电保护。

传感器模块：传感器模块包括温湿度传感器、雨量传感器等。自动气象站节点通过传感器模块采集温湿度、雨量等气象要素，将采集的模拟信号经过A/D转换为数字信号，得到所测量的温度或雨量值。传感器模块将数据发送至处理器模块，由处理器模块进行统一协调工作。

电源模块：自动气象站无需安排人值守，有些气象要素节点处需要安置在地理环境恶劣的地方，具有移动性。所以采用2节干电池电池统一供电。无线传感器网节点中耗电量最大的就是无线通信模块，本文设计中采用低功耗设计模式。以温度为例，在短时间内一般不会发生突变。一般情况下，无线通信模块进入休眠状态，若当前数据与历史数据相比，变化大于0.1摄氏度，唤醒无线通信模块，向主工作站发送消息。为了保证数据准确性，设置定时器，每半小时唤醒无线通信模块发送数据一次。

处理器模块设计采用S3C2410芯片,这是一款32位RISC处理器,它的内核是基于ARM920T,带有MMU功能。外扩了大容量存储器，并带有精确的时钟电路。无线通信模块2采用zigbee芯片CC2420， CC2420无线射频芯片是chipcon公司开发的符合zigbee标准的2.4GHZ射频芯片。Zigbee采用IEEE802.15.4作为其底层的物理层和媒体接入层标准，定义了zigbee网络层、应用支持子层和应用层规范。它是一种近距离、低功耗、低成本的无线网络技术，主要用于近距离传输。ZigBee的工作频段分为3个，其中2.4GHZ频段上，分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段。

存储模块设计为了保证大容量的数据存储，外扩了64M的NandFlash K9F1208-YCB0，将NandFlash作为气象数据的存取单元。NandFlash的数据线、地址线分别于主控芯片S3C2410的数据线和地址线相连。

无线通信模块设计S3C2410工作在主模式，cc2420工作在从模式。处理器芯片S3C2410有2组SPI，在本系统设计中，使用的是SPI0。cc2420的SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成，分别于s3c2410的SPNSS0，SPIMOSI0、SPIMISO0,SCLK0连接。s3c2410通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器， Cc2420分别接收来自s3c2410的片选信号和时钟信号，并在s3c2410的控制下执行输入\输出操作。CC2420的 SFD、 FIFO、 FIFOP、和CCA 4个引脚，分别于s3c2410的4个GPIO口连接，表示收发数据的状态。处理器模块可以通过这四个引脚查询无线通信模块的工作状态。

电源模块设计自动气象站无需安排人值守，有些气象要素节点需要安置在地理环境恶劣的地方，具有移动性。所以采用2节干电池统一供电。无线传感器网节点中耗电量最大的就是无线通信模块2，本文设计中采用低功耗设计模式。以温度为例，在短时间内一般不会发生突变。一般情况下，无线通信模块进入休眠状态，若当前数据与历史数据相比，变化大于0.1摄氏度，唤醒无线通信模块，向主工作站发送消息。为了保证数据准确性，设置定时器，每半小时唤醒无线通信模块发送数据一次。这样设计可以大大降低电源的损耗。一般可以工作到6个月以上。在一些条件允许的情况下，也可以采用太阳能电池供电。

传感器模块主要包括温湿度传感器、雨量传感器等。温湿度传感器采用芬兰VAISALA公司开发的HMP45D。HMP45D测温元件采用铂电阻pt100。铂电阻具有阻值随温度变化而变化的特性，利用四线恒流源供电方式及线性化电路，将传感器电阻值变化转化为电压值的变化对温度进行测量。温度传感器提供恒定的电流                                               

，流经铂电阻

，电压通过电压引线传送给A/D转换电路，得到所测量的温度值。雨量传感器的输出信号是开关信号，采用翻斗式雨量传感器，在降水时由承水口承接的降水，经过翻斗的翻转，吸合干簧管，产生通断信号，经过计数器电路进行计数处理，换算降雨雨量。

工作原理：本发明将ZigBee无线传感器网应用到自动气象站，设计了一种新型的无线自动气象站节点，采用S3C2410为其主控芯片，Linux作为操作系统，CC2420作为无线收发芯片。无线传感网节点通过传感器模块采集和监测气象要素，并将数据传送送到处理器模块，处理器模块统一协调控制整个节点的工作，对采集的气象数据进行处理和分析，并且通过无线通信模块将处理后的数据发送到主工作站。节点能够有效准确的采集数据，抗干扰性强。

工作过程：气象工作者将自动气象站节点散布在需要监测的地理区域，例如高山、湖泊、草原以及人力无法到达的地方。自动气象站节点的传感器模块用于气象要素的采集。处理器模块用于接收采集到的气象信息，并对数据进行分析和处理，无线通信模块将处理器模块处理后的数据发送到主工作站。气象工作者通过后台主工作站接收气象数据，无需人工亲自采集数据，对于一些环境恶劣、地形复杂的地方，人员不能到达的区域或者临时的场合(如发生自然灾害时)更具有深远意义。当需要增加或者更换自动自动气象站节点时，只需将新的节点散布在指定区域，扩展性强维护方便。

Claims (4)

1.一种基于无线传感网的自动气象站，其特征在于：包括统一协调其它各个模块工作的处理器模块、及与后台主工作站进行信号传输的无线通信模块、还包括设置在气象站节点处用于气象要素采集和监测的传感器模块、用于储存数据的存储模块、及电源模块，所述处理器模块分别与所述无线通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块相连。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网的自动气象站，其特征在于：所述的传感器模块包括温度传感器、湿度传感器和雨量传感器。

3.如权利要求1所述的基于无线传感网的自动气象站，其特征在于：所述无线通信模块在处理器模块的控制下向主工作站发送数据，并且可以接收来自主工作站的控制信息。

4.如权利要求1所述的基于无线传感网的自动气象站，其特征在于：所述电源模块设置定时器，主控模块半小时唤醒无线通信模块发送数据一次。

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