CN106556880B - 一种基于ZigBee的气象监测传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ZigBee的通用气象监测传感器节点，所述通用气象监测传感器节点负责采集监测区域的温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压七种气象要素数据，执行数据采样、处理和无线收发，实现采样数据的双缓冲区机制和本地存储机制，增强气象数据的实时性和可靠性。本发明的通用气象监测传感器节点在结构方面的改进在于采用了传感器与传感器采样电路分离的结构，有助于传感器节点的维护和功能的扩展。同时复用所述需要监测气象要素的所有传感器信号并统一传感器接口，缩小了传感器布线的布板面积，提高了传感器兼容性和信号集成度。

Description

一种基于ZigBee的气象监测传感器节点

技术领域

本发明涉及气象监测技术，更具体地，涉及一种基于ZigBee的气象监测传感器节点。

背景技术

气象是大气中的冷、热、干、湿、风、云、雨、霜、雾、雷电等各种物理状态和物理现象的统称。伴随着社会经济的不断进步，人们对于公共气象服务的需求开始不断的增加，特别是在供应定时、定点、定量预报上，对于有特殊性能的防灾决策、气候评估、大气环境影响评估和气象信息获取的服务要求也逐渐增强。我国幅员辽阔，是世界上气候变化比较大的地区之一，恶劣性和灾害性天气出现的频率也比较高，影响越来越广泛，造成的损失也呈现上升趋势。因此，国家和人民对气象信息的获取，特别是对气象为防灾减灾服务的要求越来越高。气象监测工作与人民的生产和生活密不可分。近些年来，人民对生活质量的要求越来越高，对气象信息获取的需求也与日俱增。小气候、微气象对各行各业和人民生产生活都产生了一定的影响。

现有的气象站大多是采用人工的或者预先布置好的有线方式进行采集。传统的人工值守观测记录仍然是获取气象信息不可或缺的手段，然而这种方法又有着先天的制约性，例如环境的限制、时间的限制、可靠性以及稳定性等。采用有线数据采集的气象站受环境、地理等因素的影响具有明显的局限性。传统的气象数据采集方式已不能满足对气象监测的快速反应需求。随着计算机技术的飞速发展以及大规模集成电路的普及应用，自动化的气象监测系统应运而生。

自动化的气象监测系统是一种能自动进行地面气象观测、存储和发送观测数据，并能根据需要将观测数据转换成气象电报和编制成气象表报的地面气象观测设备。自动化气象监测系统具有获取气象要素准确度高，实时性强、数据采集量大、数据安全可靠、监测的时间和空间密度较大等优势。能够节省大量的人力、物力。很大程度上弥补了人工观测记录的不足。

随着物联网技术的发展，成百上千个传感器之间的如何通信变得越来越重要，短距离无线通信技术成为一个重要的解决方案。目前，短距离无线通信方式有蓝牙、红外线、NFC、Wi-Fi、ZigBee等，ZigBee与其他的通信技术相比具有更低的功耗和成本，是最适合的短距离无线通信技术。ZigBee传输距离达到100米，增加RF发射功率后，可以增加到1～3千米，并且可以通过路由节点实现通信接力。不但功耗低、时延短、响应速度快，而且组网容量加大，最多可组成65000个节点的大网。

ZigBee技术的高速发展和应用为气象监测提供了新的研究方向。由气象传感器节点构成的ZigBee网络，能够实时采集气象传感器节点部署区的各种数据信息，如温度、湿度、风速、风向、光照、雨量和气压等，并对这些信息进行处理后以远程无线的方式发送出去，传达给终端用户。

在整个基于ZigBee的气象监测系统中，传感器节点是负责气象数据采集、处理和传输的最小功能单位，也是整个系统最基础的组成部分。传感器节点应当以具备低功耗、低成本、小体积和强感知能力为目标。传感器节点的可维护与可扩展性能对实现上述目标具有重要的价值。

为了保证气象监测数据的准确可靠，定期维护更换损坏、感知灵敏度降低或者出现偏差的传感器是非常必要的，因而传感器节点应当具备易于维护、维护成本低的特点。随着气象监测需求的日益提高，系统需要经常更新调整，相应地，传感器节点应当预留扩展接口，保证更换硬件时对系统不产生影响，同时在不影响现有功能的前提下增加新的功能和应用，实现系统的平滑升级。

可见，在基于ZigBee的气象监测传感器节点中，设计易于传感器维护、扩展以及复用性强的传感器节点的硬件结构是对现有技术加以改进的一个重要内容。

发明内容

基于现有技术中的上述需要，本发明提供了一种基于ZigBee的气象监测传感器节点，其提供了一种改进的硬件结构，该结构可以实现传感器与传感器采样电路的可分离式连接，复用传感器信号并统一传感器接口，通过这种硬件连接关系上的改进，传感器与传感器节点底板采用可插拔的排针将两者结合在一起，便于传感器维护以及功能扩展的传感器节点。

本发明提供了一种基于ZigBee的通用气象监测传感器节点，其特征在于，包括：传感器模块、ZigBee模块以及电源模块；所述传感器模块包括气象监测传感器、传感器统一接口以及传感器采样电路，气象监测传感器的信号通过传感器统一接口上的排针连接传感器采样电路；所述ZigBee模块是采用集成的单芯片结构的主控单元，包括RF子模块和MCU子模块；所述RF子模块包括RF接收器、包引擎、FIFO数据缓冲区、寄存器、SPI接口和RF发送器；所述MCU部分包括CPU、调试接口、中断控制器、直接内存读取器、低漏唤醒单元、存储器、时钟单元、通信单元、定时器单元以及模拟单元，同时在信号采样引脚处具有若干电压测量点；所述RF子模块与MCU子模块通过SPI方式进行数据交互；所述电源模块与传感器节点上的电源输入端子相接，以便向传感器模块和

ZigBee模块提供稳压直流电源。

优选的是，所述传感器模块包括以下至少一种传感器：温湿度传感器、测风传感器、光照传感器、雨量传感器、气压传感器。所述传感器统一接口通过引脚复用的方式用于连接传感器模块包含至少一种传感器，并且在传感器统一接口引脚处设有若干电压测量点。

优选的是，所述传感器采样电路用于对温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压七种气象要素中至少一种进行信号采集。

进一步优选的是，所述温湿度传感器的传感器采样电路包括恒流源驱动电路和信号调理电路；所述恒流源驱动电路提供1mA电流，使用稳压元件把电压稳压至2.5V,同时具有滤波电路,所述电流流经2.5KΩ的精密电阻以便供温度采样使用；所述信号调理电路使用放大元件对温湿度传感器的Pt100电阻两端电压信号进行放大。

进一步优选的是，所述测风传感器的传感器采样电路和雨量传感器的传感器采样电路使用波形整形元件对电平信号进行反转和整形，去除波形抖动。

进一步优选的是，所述光照传感器的传感器采样电路使用放大元件的一路放大电路来分隔光照传感器的电压信号和采样信号。

所述气压传感器的传感器采样电路通过串口与气压传感器进行数据交互，使用电平转换元件实现TTL电平与RS232电平之间的转换。

优选的是，所述电源转换模块包括电源保护电路以及电源滤波电路，提供两路稳压直流输出，用于向传感器模块和ZigBee模块供电；所述电源保护电路包括最大电流1A的保险丝和最大电压470V的压敏电阻，并通过电源输入端子与220V的市电连接，并通过电源转换元件把220V交流电转成一路12V直流输出和一路5V直流输出；所述电源滤波电路包括设置在每路的电源输出端与地之间的若干滤波电容。

优选的是，通过上述气象监测传感器节点，所述ZigBee模块对传感器采样电路调理和放大的电压信号进行AD转换后进行滤波处理、平滑处理、双缓冲区处理和本地存储处理，所述滤波处理包括若干次中值滤波处理，以及对若干次中值滤波处理的中间结果进行均值滤波处理；所述平滑处理是对若干次滤波处理后的数据进行均值操作，作为每次平滑处理过后的采样值；所述双缓冲区处理包含两个缓冲区A和B，数据平滑处理完成过后的采样值放入缓冲区A，数据平滑处理未完成之前的采样值放入缓冲区B；所述本地存储处理包括存储若干天的每分钟的某一次的采样值，供气象数据缺失时使用。

优选的是，上述气象监测传感器节点中，所述MCU子模块按照包模式进行数据收发；在包模式下，所述MCU子模块以包为单位缓冲待发送数据，并且通过所述ZigBee模块发送，并且所述ZigBee模块以包为单位缓冲接收数据，并且通知所述处理器模块读取。

本发明所述的基于ZigBee的气象监测传感器节点的改进在于：在硬件结构方面，采用了传感器与传感器采样电路分离的结构，在维护过程中可以只需对损坏、感知灵敏度降低或者出现偏差的传感器进行更新，也可以通过结合新类型的传感器而实现功能扩展。同时复用需要监测气象要素的所有传感器信号并统一传感器接口，缩小了传感器布线的布板面积，提高了传感器兼容性和信号集成度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明所述的气象监测体系结构示意图；

图2是本发明所述的气象监测传感器节点整体结构示意图；

图3是本发明所述的温湿度传感器采样电路图；

图4是本发明所述的测风传感器和雨量传感器采样电路图；

图5是本发明所述的光照传感器采样电路图；

图6是本发明所述的气压传感器采样电路图；

图7是本发明所述的传感器统一接口电路图；

图8是本发明所述的KW01-ZigBee模块的内部结构示意图；

图9是本发明所述的电源转换模块的电路图；

图10是本发明所述的气象监测传感器节点的执行流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述基于ZigBee的气象监测体系的结构示意图。参考物联网分层模型，将该系统分为三层，自底向上分别是感知层、网络层、应用层。整个系统由部署在待测区域的传感器节点，部署在待测区域的网关，部署在服务器上的服务端，部署在电脑、平板和智能手机上的客户端或App组成。

部署在待测区域的传感器节点通过动态自组织形成气象监测网络，可以采集温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压七种气象要素中的一个或多个的气象数据，并对其进行数据融合和数据存储等操作，最后将数据发送到网关。网关将所有的气象数据收集完成之后经过GPRS网络发送给远程服务器。远程服务器对接收到的数据进行分类处理和分析，并将超过设定阈值的气象数据进行微信告警，为气象信息的及时发现与处理提供技术支持。远程终端用户可以通过电脑、平板、手机等设备对待测区域进行实时监测。

在整个体系当中，传感器节点是最小的功能单位，也是最基础的组成部分，负责指定区域气象数据的采集、处理和传输。它的设计应当以低功耗、低成本、小体积和强感知能力为目标。传感器节点具有以下几个功能：

(1)采集待测区域的温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压等气象数据：在传感器节点上集成温湿度传感器、测风传感器、光照传感器、雨量传感器和气压传感器中的至少一种，测量量程指标为：温度-40～60℃，湿度0～100％，风速0～6.0m/s,风向0～359°，光照0～10000000lux，雨量0～4.0mm/min，气压500～1100hPa。

(2)数据预处理和定时传输：传感器节点在采集到气象数据之后首先进行正确性判断，丢弃明显错误的数据，然后将数据按照一定的数据结构保存在节点中，经过一定的时间间隔后，定时一次性将数据发送出去。

(3)节点配置：传感器节点能够接收网关发送过来的命令，对传感器节点的本地时间、物理量回归方式、传感器类型等配置参数进行修改。

(4)组建基于ZigBee协议的低功耗近距离无线网络：传感器节点上电后能够自动加入网络，按照预定网络协议传输数据，空闲时进入低功耗模式，减少能量损耗。

本发明所提供的传感器节点在设计过程中以实现上述功能和性能要求为目标，重点考虑了以下几方面的因素：首先，传感器节点布设于特定环境中，受到环境和自身老化因素影响，易于出现传感器灵敏度降低、测量数值失准直至完全失灵的情况，需要定期维护，对已经达不到使用要求的节点进行更换，因此传感器节点应当具有良好的传感器可更换结构，能够以较低的成本实现节点维护。其次，本发明的传感器节点可以采集温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压这七种气象数据，但是在气象监测中要监测的气象要素还有很多，如能见度、辐射、蒸发等，在节点设计时应预留适量扩展接口，实现通用扩展能力。第三，传感器节点应当建立高效率、低成本和准确性高的数据处理和节点通信机制。

基于上述设计思路，本发明提供了如图2所示的基于ZigBee的气象监测传感器节点。所述基于ZigBee的气象监测传感器节点包括：传感器模块、ZigBee模块以及电源转换模块。所述传感器模块包括气象监测传感器、传感器统一接口以及传感器采样电路；所述气象监测传感器用于感应温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压等气象要素数据中的至少一种，并输出相应的电压信号；所述传感器统一接口用于把气象监测传感器接入到传感器采样电路；所述传感器采样电路用于将气象监测传感器输出的电压信号进行信号放大、整形、隔离、电平转换，以供ZigBee模块进行AD转换、信号捕捉、串口通信等处理。所述ZigBee模块是采用集成的单芯片结构的主控单元，包括RF子模块和MCU子模块；所述RF子模块用于无线数据接收和发送；所述MCU子模块用于对经传感器采样电路进行信号处理的电平信号进行数据分析、处理、存储，并与RF子模块进行数据交互，是传感器节点的核心控制和数据处理单元。所述电源转换模块与传感器节点上的电源输入端子相接，以便给传感器模块和ZigBee模块进行供电。

本发明中所使用的气象监测传感器可以包括以下任意一种或多种：温湿度传感器、测风传感器、光照传感器、雨量传感器、气压传感器。

温湿度传感器检测环境温度和相对湿度。市场上常用的温度传感器有热电阻、热电偶、热敏电阻、集成温度传感器和数字式温度传感器等多种。集成温度传感器和数字式温度传感器因选用材质和测量方法的不同，测量精度有高有低，而热电阻相比较于热电偶和热敏电阻，性能更稳定、线性度更好、更适合高精度的应用场合。铂电阻的特点是准确度高，稳定性好，性能可靠，复现性好，是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。依据0℃时铂电阻阻值的不同，主要划分为Pt10、Pt100和Pt1000三种，例如Pt100在0℃时的阻值是100Ω。本发明考虑到测量温度范围不大，但要求测量精度高，故采用测量精度高、稳定性好的Pt100铂电阻。Pt100铂电阻热响应时间小于30s，工作电流不允许超过5mA，在-40～60℃之间变化时，阻值变化范围为84.27～123.24Ω，最大非线性偏差小于0.5℃。选用的温湿度传感器为ROTRONIC AG公司最新生产的电容式湿度探头，同时支持Pt100铂电阻用于温度测量，具有集成度高、微功耗、智能化、高可靠、易维护等特点，广泛应用于各类对环境、温度测量数据要求较高的场合。Pt100温度传感器测温方法主要有3种：两线制、三线制和四线制，由于PCB布线繁琐程度以及价格等方面原因，在工业上一般采用二线制或三线制铂电阻测温方案。但是，两线制和三线制测量铂电阻的阻值受连接导线长度的影响。本发明采用可以去除导线长度影响的四线制测温方案，采样电路见图3，其中两根用作恒流源激励，另外两根用作Pt100两端的差模电压，可以满足高测量精度的应用场合。

温湿度传感器的传感器采样电路见图3。传感器采样电路包括恒流源驱动电路和信号调理电路。恒流源驱动电路采用稳压元件TL431把5V电压稳压至2.5V，接入运算放大器LM324的A路的正向输入端，由放大器的“虚短”特性，可知该路运算放大器的负向输入端电压也是2.5V,然后流经2.5KΩ的0.1％精度的精密电阻温度第二电阻TP-R2，产生1mA的恒流源，供Pt100铂电阻使用。同时为进一步缩小误差，追加一路AD通道用来测量恒流源经的输入电压。当温度范围为-40～60℃时，Pt100的阻值范围是84.27～123.24Ω，1mA的恒流源驱动，那么Pt100两端的电压范围是0.084V～0.123V，电压过低且范围较小，需要对电压进行放大，本发明放大倍数是9，放大后的电压范围是0.758V～1.109V。PT100A2和PT100B2即为Pt100两端的电压，同时也是TP-R6两端的电压。由虚短及分压原理，温度的放大倍数由温度第五电阻TP-R5、温度第六电阻TP-R6和温度第七电阻TP-R7之和与温度第六电阻TP-R6的比值决定。

当湿度范围0～100％时，湿度传感器的输出电压RH+和RH-范围是0～1.0V，同样对信号进行适当放大处理，湿度信号的放大倍数由湿度第三电阻HD-R3与湿度第二电阻HD-R2的比值决定。本电路的放大元件为LM324，是四运放集成电路，电压范围宽(3.0～32V)，静态电流小，工作温度范围宽(-25～+85℃)，单电源供电时其最小放大倍数为一倍，最大放大倍数100倍，输入端最小电压0.03mV，输出最大电压为参考电压。

测风传感器用于监测地面上风的风速和风向。在地面风的测量中，根据仪器的使用材质的不同分为机械旋转式、非旋转式。在机械旋转式中，又依据风向、风速分成了风向传感器和风速传感器。由于机械旋转式测风传感器测量范围较广、测量分辨率要求较高、动态特性较好，选择采用机械旋转式测风方案。

测风传感器采用江苏省无线电科学研究所有限公司生产的ZQZ-TFH型测风传感器，是典型的机械旋转式测风传感器，该传感器具有抗风强度大、测量范围宽、互换性好、电路寿命长、工作可靠、抗雷电干扰能力强等多种优良性能。风向传感器主要由内部的格雷码盘、风标板、红外发光二极管和光敏三极管组成。格雷码又叫循环码，主要通过格雷码盘每转动一个角度，七位格雷码数据线就输出一个数据。每组格雷码有七位，代表一个风向。风向传感器的感应元件为风标板组件，角度变换电路为格雷码盘加光电电路。当风标板随风向转动时，带动主轴及格雷码盘一同旋转，每转动一个单位角度，即2.8125°，位于光电器件支架上下两边的七位光电变换电路就输出一组新的七位格雷码值，经过整形电路整形之后输出到MCU的引脚。风速传感器由三个轻质的锥形风杯、截光盘和红外光电变换电路组成，能够测量0.4～50m/s范围内的风速，并且能够提供很好的线性特征。风速传感器的感应元件为三杯式回转架，信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力作用下，风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的36只磁体形成18个小磁场，风杯组每旋转一圈，在霍尔开关电路中感应出18个脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。

测风传感器的风速风向传感器采样电路见图4，使用74HC14对测风传感器的电压信号进行整形。74HC14是一款高速的CMOS器件，74HC14引脚兼容肖特基TTL系列。74HC14一共有6组施密特反相器，可以将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号，主要用于脉冲及波形整形器。74HC14的典型供电电压值为5V，有VCC、GND、A1－A6、Y1－Y6共14个引脚，DIP封装。

光照传感器用于监测环境的光照强度，使用光敏电阻来衡量。光敏电阻值随受到的光照强度的变化而变化，光照强度越大，光敏电阻值越小。将光敏电阻接入电路中，不同光照强度引起光敏电阻值变化，于是光敏电阻上的电压发生变化，导致电路的输出电压也相应变化。根据电压-光照度函数关系，由电压计算得到光照强度值。光照传感器采样电路图见图5，使用一路运算放大器来隔离光照传感器的输入电压和采样电压，其中光照第一电阻LL-R1和光照第二电阻LL-R2均为5KΩ的0.1％精度的精密电阻。

雨量传感器用于监测环境的降雨量。常见的雨量传感器主要有虹吸式雨量传感器、称重式雨量传感器、翻斗式雨量传感器。翻斗式雨量传感器相比较于雨量传感器和称重式雨量传感器，操作更加简便、易于维护、适用范围广。选用的雨量传感器是SL3-1型翻斗式雨量传感器，由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗等构成。雨水由承水口汇集，进入上翻斗。上翻斗的作用是使降水强度近似大降水强度，然后进入计量翻斗计量，计量翻斗翻动一次为0.1毫米降水量。随之雨水由计量翻斗倒入计数翻斗。在计数翻斗的中部装有一块小磁钢，磁钢的上面装有干簧开关，计数翻斗翻转一次，则开关闭合一次，由于开关的闭合送出一个信号。雨量传感器采样电路见图4，翻斗翻转的次数，就是采集器采集的脉冲的次数，这样就可以计算某个时间段内的雨量总和。

气压传感器用于监测环境中的气压。气压传感器采用的是国外Vaisala公司生产的PTB220型气压传感器，是由先进的震荡电路、微处理器和参考电容组成的数字压力传感器，在进行压力测量的同时也测量空气温度，传感器中的微处理器自动进行压力的线性补偿和温度补偿，当得到压力变化时，硅薄膜弯曲使传感器真空室高度发生变化，导致传感器电容值发生变化，通过转换输出经过线性补偿和温度修正后的压力值。该类型智能传感器是全补偿式数字气压传感器，可以进行校准调试，具有较宽的工作温度和气压测量范围。该传感器的传感元件为硅电容压力传感器，具有很好的重复性、滞后性和长期稳定性。气压传感器使用RS232进行串口通信，而MCU使用TTL进行串口通信，故需要在气压传感器与MCU之间进行RS232电平与TTL电平的转换。据此设计的气压传感器采样电路见图6，提供了两组可用于气压传感器与MCU进行数据通信的转换电路，用来获取气压传感器采集的气压数据，其中一组的发送端由TX0-TTL和TX0-RS232构成，接收端由RX0-TTL和RX0-RS232构成，另外一组的发送端由TX1-TTL和TX1-RS232构成，接收端由RX1-TTL和RX1-RS232构成。站在MCU的角度看，发送数据时，TTL电平的信号线TX0-TTL经过转换电路输出到RS232电平的信号线TX0-RS232上，供气压传感器进行数据接收；接收数据时，气压传感器的RS232电平的信号线RX0-RS232经过转换电路输出到TTL电平的信号线RX0-TTL，进而可由MCU进行数据接收。

图7为传感器统一接口，复用温湿度传感器、测风传感器、光照传感器、雨量传感器、气压传感器的信号。其中，接口H3的端口1为12V电源线VCC12V，端口2为5V电源线VCC5V，端口3为3.3V电源线VCC3V3，端口4为地线GND，端口5复用温湿度传感器的信号线PT100A1、测风传感器的信号线WV-S0、光照传感器的信号线LL-S0、雨量传感器的信号线RS-S0、气压传感器的信号线TX0-RS232，端口6复用温湿度传感器的信号线PT100A2、测风传感器的信号线WD-S0、气压传感器的信号线RX0-RS232，端口7复用温湿度传感器的信号线PT100B1、测风传感器的信号线WD-S1、气压传感器的信号线TX1-RS232，端口8复用温湿度传感器的信号线PT100B2、测风传感器的信号线WD-S2、气压传感器的信号线RX1-RS232，端口9复用温湿度传感器的信号线RH+、测风传感器的信号线WD-S3，端口10复用温湿度传感器的信号线RH-、测风传感器的信号线WD-S4，端口11为测风传感器的信号线WD-S5，端口12为测风传感器的信号线WD-S6。接口H4的端口1-12为提供的电压测量点，可用于传感器信号的电压测量。

本发明采用了无线射频RF子模块和32位的微处理器MCU子模块集成的ZigBee模块解决方案，提高了集成度，也使芯片体积更小，但是也限定了MCU的处理能力。图8为ZigBee模块的内部结构框图。所述MCU子模块包括：CPU，可在100MHZ的最高工作频率下执行数据处理；调试接口SWD；中断控制器NVIC；存储器，包括RAM及Flash；直接内存读取器DMA；低漏唤醒单元LLWUU；外设通行方式，包括SPI、IIC、UART及TSI；GPIO引脚GPIOs；时钟单元，包括PLL、FLL、内部时钟等；定时器单元，包括TPM、PIT、LPT、RTC；模拟单元，包括ADC、DAC和CMP。所述RF子模块包括：RF接收器、包引擎、66B的FIFO数据缓冲区、寄存器、SPI接口和RF发送器。所述RF接收器包括低噪声放大器LNA、单转差分电路、混频器、sigma-delta调制器SDM、抽取过滤器、解调器和位同步器；所述RF发送器包括调制器、插值过滤器、频率合成器和功率放大器PA。

图9是气象监测传感器节点的电源转换模块的结构示意图。电源转换模块主要由电源保护电路及电源滤波电路组成，向传感器模块和ZigBee模块提供12V和5V稳压直流电源。其中，12V电源给传感器模块的温湿度传感器和气压传感器供电，5V电源给传感器模块的测风传感器和ZigBee模块供电，同时可供ZigBee模块内部包含的5V转3.3V电路得到3.3V电源,3.3V电源供光照传感器使用，雨量传感器无需提供电源。接线端子H1为交流电源输入接口，其中1为火线，2为零线，3为交流地线，通过高转换效率、纹波噪声小、高可靠性的集成电路单元U1得到12V和5V直流电源，U1具有端子AC(L)、AC(N)、FG、-Vo1、+Vo1、-Vo2、+Vo2，通过+Vo1和-Vo1输出5V电源,通过+Vo2和-Vo2输出12V电源。电源保护电路包括最大电流1A的保险丝F1和最大电压470V的压敏电阻M1，提供过流和过压电路保护。同时，为了提高电源的抗干扰性，在电源周围安装了并联的滤波电容C1-C6，这种设计可以有效降低电源波动对电路的影响。

下面介绍本发明所述气象监测传感器节点的工作过程，基于内核精简、资源占用低、执行效率高的MQXlite操作系统，执行流程见图10。在气象监测传感器节点启动之后，首先进行节点初始化。节点初始化是节点正常运行的基础，气象监测传感器节点在开始工作之前需要进行初始化。节点初始化主要包括运行指示灯初始化、串口初始化、AD初始化、Flash初始化、RF初始化、TPM初始化、时钟初始化、看门狗初始化、数据缓冲区初始化和全局变量的初始化。节点初始化过后，创建数据包接收任务、数据包处理任务、数据包发送任务和ADC采集任务等，由调度器调度该哪一个任务执行。数据包接收任务通过硬件过滤地址、网关号、网内地址过滤所有非本节点的ZigBee数据包，并将发给本节点的数据包放入待处理数据包链表。数据包处理任务完成数据包的解帧、处理及数据组帧，把完整的节点数据包放入待发送数据包链表.数据包的处理包括上传采样命令以及取最新采样数据。数据包发送任务用以发送节点的ZigBee数据包。ADC采集任务采用双缓冲区机制，数据平滑处理完成过后的采，采样精度为16位，确保温度数据的新鲜度，借助中值及均值滤波消除电平抖动，确保温度数据回归的准确性。同时在Flash区中定义一段数据区，每分钟存储一次采样值，供气象数据缺失时使用。

传感器节点的无线通信主要依赖于ZigBee模块的RF子模块，RF子模块与MCU子模块之间通过SPI通信实现数据的交互。ZigBee模块支持两种RF子模块与MCU子模块通信的数据传输模式：流(Stream)模式和包(Packet)模式。在流模式中，数据无论是发送或是接收都是逐字处理的，每接收或发送一个字的数据都会触发一次中断。而在包模式中，首先将要发送的数据一次性存储在发送缓冲区中，然后再一次性发送出去；数据接收时，接收方首先在数据缓冲区中缓存整个数据包，再触发中断通知MCU读取。在包模式下数据的收发需要等到所有的数据都已在缓冲区中才能进行，这会带来一定的延迟，但该方式不会频繁触发中断，降低了对MCU的资源占用，且便于数据的一次性处理，因此，在数据传输时采用包传输模式。

当ZigBee模块的RF子模块完成数据接收之后，会拉低MCU子模块的RF中断引脚，向MCU子模块发出一个I中断请求，MCU子模块接收并响应该中断。进入中断处理函数之后，MCU子模块读取引脚控制寄存器的中断状态，该寄存器中保存了产生中断的类型信息，如果确认是RF引脚的中断则进行数据接收处理，否则不执行。最后清除中断标记，等待下次RF中断的到来。

综上所述，本发明所述的基于ZigBee的气象监测传感器节点的改进在于：在硬件结构方面，采用了传感器与传感器采样电路分离的结构，在维护过程中可以只需对损坏、感知灵敏度降低或者出现偏差的传感器进行更新，也可以通过结合新类型的传感器而实现功能扩展。同时复用需要监测气象要素的所有传感器信号并统一传感器接口，缩小了传感器布线的布板面积，提高了传感器兼容性和信号集成度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明还可以应用在其它设备中；以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于ZigBee的通用气象监测传感器节点，其特征在于，包括：传感器模块、ZigBee模块以及电源模块；所述传感器模块包括气象监测传感器、传感器统一接口以及传感器采样电路，气象监测传感器的信号通过传感器统一接口上的排针连接传感器采样电路；所述ZigBee模块是采用集成的单芯片结构的主控单元，包括RF子模块和MCU子模块；所述RF子模块包括RF接收器、包引擎、FIFO数据缓冲区、寄存器、SPI接口和RF发送器；所述MCU子模块包括CPU、调试接口、中断控制器、直接内存读取器、低漏唤醒单元、存储器、时钟单元、通信单元、定时器单元以及模拟单元；所述RF子模块与MCU子模块通过SPI方式进行数据交互；所述电源模块与传感器模块上的电源输入端子相接，以便向传感器模块和ZigBee模块提供稳压直流电源；

其中，所述传感器模块包括以下传感器：温湿度传感器、测风传感器、光照传感器、雨量传感器、气压传感器；所述传感器统一接口通过引脚复用的方式连接气象监测传感器；所述传感器采样电路用于对温度、湿度、风速、风向、光照、雨量、气压七种气象要素进行信号采集；

所述温湿度传感器的传感器采样电路包括恒流源驱动电路和信号调理电路；所述恒流源驱动电路提供1mA电流，使用稳压元件把电压稳压至2.5V,同时具有滤波电路,所述电流流经2.5KΩ的精密电阻以便供温度采样使用；所述信号调理电路使用放大元件对温湿度传感器的Pt100电阻两端电压信号进行放大；

所述测风传感器的传感器采样电路和雨量传感器的传感器采样电路使用波形整形元件对电平信号进行反转和整形，去除波形抖动；

所述光照传感器的传感器采样电路使用放大元件的一路放大电路来分隔光照传感器的电压信号和采样信号；

所述气压传感器的传感器采样电路通过串口与气压传感器进行数据交互，使用电平转换元件实现TTL电平与RS232电平之间的转换；

其中，所述ZigBee模块对传感器采样电路调理和放大的电压信号进行AD转换后进行滤波处理、平滑处理、双缓冲区处理和本地存储处理，所述滤波处理包括若干次中值滤波处理，以及对若干次中值滤波处理的中间结果进行均值滤波处理；所述平滑处理是对若干次滤波处理后的数据进行均值操作，作为每次平滑处理过后的采样值；所述双缓冲区处理包含两个缓冲区A和B，数据平滑处理完成过后的采样值放入缓冲区A，数据平滑处理未完成之前的采样值放入缓冲区B；所述本地存储处理包括存储若干天的每分钟的某一次的采样值，供气象数据缺失时使用。

2.根据权利要求1所述的气象监测传感器节点，其特征在于，所述电源模块包括电源保护电路以及电源滤波电路，提供两路稳压直流输出，用于向传感器模块和ZigBee模块供电；所述电源保护电路包括最大电流1A的保险丝和最大电压470V的压敏电阻，并通过电源输入端子与220V的市电连接，并通过电源转换元件把220V交流电转成一路12V直流输出和一路5V直流输出；所述电源滤波电路包括设置在每路的电源输出端与地之间的若干滤波电容。