CN206725787U - 一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统 - Google Patents

一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统 Download PDF

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王程
杜景林
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Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，包括沿公路设置的若干气象节点，气象节点包括分别与传感器模块、电源模块、ZigBee通讯模块、存储模块和显示模块连接的主控制器；主控制器通过传感器模块获取本节点的气象信息；电源模块通过主控制器为传感器模块、存储模块和ZigBee通讯模块供电；ZigBee通讯模块用于气象节点之间相互获取与发送气象数据；存储模块用于存储与读取气象数据；显示模块用于显示气象信息。通过不断地对高速公路路段各处温度、湿度、光照等一系列气象数据的采集和实时监测，及时将气象情况告知机动车驾驶员以采取应急举措，保证行车安全。

Description

一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统
技术领域
本实用新型涉及一种数据采集和传输系统，具体涉及一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统。
背景技术
随着近年来中国改革开放事业的进一步深入，经济发展进入了一个新的阶段，近20 年来，我国的高速公路网络发展到了接近发达于国家的水平。高速公路的行车安全对国民经济和人民生活具有重要意义，但是由于气象原因造成的行车安全事故，每年都会导致大量人身财产损失。气象因素存在局部性和突然性，这使得高速公路机动车驾驶员无法预知前方路况和气象条件，造成安全事故，特别是当前方气象状况突变时，如在某些路段突然出现团雾现象时，会导致前方能见度突然降低，驾驶员无法及早做好准备，非常危险。由于现在的高速公路上，还没有实时的天气预警的机制，这对高速公路的安全驾驶是一大隐患。
随着时代的发展与科技水平的进步，信息的重要价值日益突显，二十一世纪已经成为了信息时代，而信息相应的也成为了一种非常重要的战略资源，信息科学如今已是最为活跃的研究方向与学科领域之一。飞速发展的信息技术正在不断地改变着人们的工作方式与生活方式，而信息产业也逐渐发展成了拉动国民经济发展的主导产业之一。伴随着信息技术的不断进步与革新，无线传感网络（ZigBee）这一技术逐渐开始走入了人们的视野。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
实用新型内容
为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种分布于高速公路、可实时提供路段气象情况的基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，包括沿公路设置的若干气象节点，所述气象节点包括分别与传感器模块、电源模块、ZigBee通讯模块、存储模块和显示模块连接的主控制器；
所述主控制器通过传感器模块获取本节点的气象信息；
所述电源模块通过主控制器为传感器模块、存储模块和ZigBee通讯模块供电；
所述ZigBee通讯模块用于气象节点之间相互获取与发送气象数据；
所述存储模块用于存储与读取气象数据；
所述显示模块用于显示气象信息。
上述传感器模块包括并联的温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器。
上述主控制器采用STM32W108 芯片。
进一步的，上述温度传感器采用STLM20W87F芯片。
进一步的，上述湿度传感器为SHT15 湿度传感器。
进一步的，上述光照传感器为PO188 光照传感器。
上述电源模块为并联的太阳能蓄电池和干电池。
上述ZigBee通讯模块采用EMZ-3118 通讯模块。
上述ZigBee通讯模块设有功率放大器，包括发送功率放大器与接收功率放大器。
上述气象数据包括若干气象节点的气象信息。
本实用新型的有益之处在于：本实用新型提供的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，
1、通过独立的气象节点获取本节点的气象信息，由若干气象节点组成公路气象网络，气象节点之间通过ZigBee无线传感网络相互传递节点之间的气象信息，组成气象数据。
2、若干个气象节点即为若干个气象数据库，方便各地的气象研究员即时调取气象数据进行研究和比对。
3、气象网络的延长性强，随着公路网的延展，可在原有气象网络的基础上，在新的公路网上添加入新的气象节点即可完成气象网络的延展。
4、通过显示模块，可即时显示当前路段和后续路段的气象信息，方便驾驶员审时度势，安全驾驶。
5、基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，功耗低、灵活性强、自动性强、建造和维护成本低、拓展性强、方便实用，且数据传输稳定、高效和可靠。
附图说明
图1为本实用新型的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统的气象节点的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
如图1所示，本实用新型的气象节点包括六个模块，分别是主控制器，传感器模块，电源模块和ZigBee通讯模块、存储模块、显示模块。
1、主控制器：本实用新型的气象节点采用STM32W108作为主控制芯片。STM32W108是由ST公司生产的一款支持ZigBee无线通讯协议的芯片。STM32W108 芯片相比于同类产品价格低，同时还具有低功耗、高性能等特点。
2、传感器模块：包括温度传感器、湿度传感器和光照传感器，模块上设有若干拓展传感器接口，用于根据需求增设其他传感器，例如：风速、风向、PM2.5等气象传感器。
在本实用新型中，选择采用STLM20W87F这一小电流高精确度的模拟温度传感器芯片，其测量范围会随着供电电压的改变而改变，在输入电压为 2.4V 时，其测量范围是-30℃至 130℃。它的最大工作电流为 8μA，自身的发热对温度测量几乎没有影响。
本实用新型中采用SHT15湿度传感器，SHT15湿度传感器是完全校准的数字输出型相对湿度传感器，可以实现长时间的准确测量，具有极高的可靠性。
本实用新型中采用PO188光照传感器，是一个光电集成传感器，对于可见光范围内的光照强度非常敏感，其输出随着光照强度线性变化。
3、电源模块：本实用新型选择的STM32W108芯片与各个传感器的需求的输入电压都很低，从成本与实际出发，选择采用太阳能蓄电池主供电与 2 节 1.5V 电池辅供电的模式。根据光照传感器的输入读数，当光照充足时，STM32W108芯片的GPIO口输出信号，由太阳能蓄电池由LM1117稳压后输出的稳定的3.3V电压供电，当夜间或者光照不足时，由电池辅助完成气象节点的供电。
4、ZigBee通讯模块：STM32W108芯片内包含基于IEEE 802.15.4标准的2.4 GHzZig Bee无线数据收发器、RAM存储器、Flash闪存以及基于Zig Bee无线通讯协议的部分通用外设。
STM32W108芯片的内部已经集成了发送功率放大器(PA)与接收功率放大器(LNA)，其无线的最大输出功率可以达到+7d Bm，即5m W。在高速公路这类空旷的户外环境中使用时，其理论最大通讯距离可达240m，实际通讯距离在100米以上。
本实用新型中的ZigBee气象信息采集系统的通讯距离需要，选用EMZ-3118模块来实现ZigBee在高速公路环境中的中远距离无线通讯。该模块带有pcb天线和较大功率(100mW)的发射功率放大器，其通讯离可达1.6 公里。该模块可以有效提升ZigBee的无线通讯距离，确保多个气象节点间的互联，实现全网状的网络拓扑，保证无线传输的可靠性。根据实际使用情况，可以通过提高PA与LNA 的增益或者增大天线的有效面积的方式，进一步提升Zig Bee的通讯距离。
实际使用时，将各个气象节点沿高速公路安放至各自制定工作位置，并通过ZigBee组网成功。
通常状态下，各气象节点处于休眠状态。
当气象节点休眠状态定时中断时，主控制器发送数据采集指令给各个传感器，各传感器将采集到的气象信息反馈给主控制器；主控制器通过ZigBee通讯模块接收其他气象节点的气象数据，并汇同本节点的气象信息，通过ZigBee通讯模块向其他气象节点发送气象数据。
同时，将本节点的气象信息与其他节点的气象数据存储入储存模块中。
节点发送气象数据前，主控制器将所得到气象数据与储存模块中的数据比较，将不同的数据再次向网内所有气象节点传输，避免同样的数据被反复传输，造成数据流爆发，导致不必要的功耗。
数据传输时，处于该气象节点通讯范围内的其他气象节点会接收到气象数据，而因为节点与节点的相互覆盖性，气象数据会向网内所有节点 ID 传输，因此每个气象节点内部都会储存所有气象节点的 ID 与气象信息。每个气象节点都是一个气象数据库。
由于高速公路的大区域跨度性，各区域的气象研究员可在任意节点读取存储模块中的气象数据，即可研究本地区的气象信息，又可横向对比其他区域的气象信息。
主控制器通过显示模块即时显示本节点路段的气象信息和下阶段路段的气象信息，供驾驶员实时了解气象情况，做好应急准备，或减速慢行，从而避免事故的发生，减少由于气象因素导致的高速公路交通事故带来的人身伤亡与财产损失。
显示模块，根据气象节点设置的地段不同，可单独设置显示屏，也可结合使用现有的路段信息显示屏。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，包括沿公路设置的若干气象节点，所述气象节点包括分别与传感器模块、电源模块、ZigBee通讯模块、存储模块和显示模块连接的主控制器；
所述主控制器通过传感器模块获取本节点的气象信息；
所述电源模块通过主控制器为传感器模块、存储模块和ZigBee通讯模块供电；
所述ZigBee通讯模块用于气象节点之间相互获取与发送气象数据；
所述存储模块用于存储与读取气象数据；
所述显示模块用于显示气象信息；
所述ZigBee通讯模块采用EMZ-3118通讯模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述传感器模块包括并联的温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述主控制器采用STM32W108芯片。
4.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述温度传感器采用STLM20W87F芯片。
5.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述湿度传感器为SHT15湿度传感器。
6.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述光照传感器为PO188光照传感器。
7.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述电源模块为并联的太阳能蓄电池和干电池。
8.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述ZigBee通讯模块设有功率放大器，包括发送功率放大器与接收功率放大器。
9.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的气象信息数据采集和传输系统，其特征在于，所述气象数据包括若干气象节点的气象信息。
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CN109507755A (zh) * 2018-12-18 2019-03-22 安徽四创电子股份有限公司 一种基于自动气象站组网综合探测系统
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