无线网络交通气象站风速测量系统设计

陈康奇，唐慧强

（南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044）

风速测量在气象预报、环境监测、风力发电、航空航天等领域中有着重要意义，依靠人工观测采集和记录气象数据在时效性、可靠性等方面都存在不足，更难适应恶劣环境下的观测要求。

无线传感网络相比传统的有线传输模式有更多优势。ZigBee技术具有组网能力强、复杂度低、功耗低、可靠性高等特点[1]，能很好满足交通气象站无线联网的要求，它使气象要素的采集和管理更加便捷和智能化，提高了各个节点相互通信的能力，增强了网络的实用性和可靠性，而系统的使用和维护成本却很低。

测量风速通常有机械式、超声波式、压力式等多种方法。传统的机械式风速测量系统工作原理简单，但存在机械磨损，需要定期维护；超声波式风速仪精度较高，易受降水等因素影响；皮托管具有结构简单，测量精度高的特点，一般作为标准风速检测装置[2]。交通气象站风速测量系统以Atmega128单片机和CC2420无线传感模块为核心，采用风压式原理设计，把传感器采集到的风速相关量（包括风压、气温和气压）汇总处理，并通过CC2420定时向网络中的采集通信节点发送数据。

1 系统工作原理概述

测量系统由皮托管感应风速，其输出的风压信号通过差压传感器检测[3]。S型皮托管是由两根结构相同的金属管定向焊接而成，它的测端制成方向相反的两个相互平行的开口，分别为全压口和静压口，根据流体力学伯努利方程，在稳定的流场中有以下关系，

其中，P0为静压，ρ为空气密度，V为风速，P为全压。上式经变换得

ΔP是皮托管得到的差压，由上式可以推出空气流速和皮托管测得的差压间的关系，即：

式中ξ为皮托管的校准系数。由于空气密度与大气压、气温有关，

系统在采集皮托管差压的同时还需采集气压和气温。在交通气象站中，已具有气压及气温要素的无线传感器测量节点，可以直接通过网络取得。为提高系统的适应性，这里设计了备用的风速测量用气压及气温检测电路。

图1是整个交通气象站结构图，本系统负责测量风速相关量，数据通过无线模块CC2420发送给数据收集器，数据收集器可以和PC机通信，把各种气象数据汇总到交通气象站数据采集系统，也可以通过GPRS发送给手持设备实现移动观测[4]。

图1 交通气象站结构Fig.1 Structure of traffic meteorological station

2 系统硬件设计

系统硬件设计包括传感器节点电路和数据通信电路的设计，图2为系统的硬件连接图。

图2 系统硬件连接图Fig.2 Diagramofhardware connection

整个硬件结构包括传感器模块、A/D转换模块、MCU主控模块、CC2420无线通信模块和电源模块[5]。主控芯片采用ATMEL公司的AVR单片机Atmega128，它是一款基于RISC结构的8位高性能、低功耗CMOS微处理器，内部带有128 kB可编程Flash程序存储器、4 kB的EEPROM和4 kB的SRAM。传感器分为模拟输出型和数字输出型，其中采集风速的差压传感器输出为模拟量，需要经过模数转换送至单片机，温度、气压传感器都为数字量输出。CC2420负责把单片机处理好的数据发送给网络中的接收节点。在这里采用MCU与通信模块分离的方案可以降低MCU的负担以提高处理风压数据的速度。

2.1 传感器节点电路

采集风速的差压传感器选用了ICSensors的33A－001D型微差压传感器，它是一款自带温度补偿功能的硅压阻式传感器，支持在－40～＋125℃的大范围环境温度下工作，具有较高的灵敏度和测量精度。虽然Atmega128自带10位A/D转换，为了提高系统测量精度，用了精度更高的ADS1254，它是TI公司生产的24位Δ－∑型模数转换器，支持8通道输入，动态响应范围大，功耗低，有效精度为19位，最高转换速率可达20 kHz。

差压传感器和ADS1254连接如图3，虚线框中为差压传感器内部结构，输出电压信号先通过运放放大，再接至ADS1254的差分输入端，这样能更精确地采集到风速对应的压力值。差分信号的放大由OPA2277集成运放完成，OPA2277是一款高精度双运算放大器，输入失调电压温漂系数为0.1 μV/℃。为了使A/D转换芯片有一个稳定的基准电压，ADS1254的参考电压输入端VREF连接到一片MCP1541，该芯片是Microchip公司的低噪声、低温漂、高准确度基准电压芯片，可以提供4.096 V稳定电压。ADS1254由5 V供电，差压传感器输出接至差分输入通道1，CLK引脚控制芯片工作频率，DOUT和SCLK引脚完成与Atmega128的通信，CHSEL0和CHSEL1是采样通道选择引脚，这里只用到通道1，将这两个引脚接地即可。

图3 差压传感器和ADS1254的连接Fig.3 Connection of differential pressure sensor and ADS1254

为提高系统的适应性，增加了备用的气压和温度采集电路。采用了瑞士Intersema公司的高精度、低功耗数字气压传感器MS5561－C，芯片内部集成了16位模数转换器，可以同时采集大气压和温度，工作电压2.2～3.6 V，测量范围为10～1 100 mbar，灵敏度 0.1 mbar，工作温度为－40～＋85 ℃，采用类似SPI的三线接口和处理器相连。芯片还自带六系数的软件补偿算法，可以有效提高低温和高温环境的抗干扰能力。

2.2 数据通信电路

CC2420是Chipcon公司开发的一款适用于ZigBee产品的射频收发器，符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kb/s，可以实现多点对多点的快速组网。CC2420与处理器的连接十分方便，如图4所示，通过SPI接口交换数据，接收来自处理器的命令，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA4个引脚表示收发数据的状态。

3 系统软件设计

系统在AVR单片机集成开发环境Win AVR下使用C语言编程和调试，采用结构化的程序设计方法，增加了软件的可读性，便于修改和维护，并可通过JTAG接口下载和调试。整个程序包括：主处理器模块、数据采集模块、无线传输模块、上位机通信接口模块等，数据采集模块用于采集风压、温度和大气压，并把模拟量风压转化为数字量；主处理器模块负责接收采集到的数据、暂存并计算出一定时刻的风速值；无线传输模块完成节点组网、信息传输和信息安全等任务，其中信号采集部分通过调用相应的子程序完成，测量节点流程图如图5所示，系统设定了200 ms的采样时间，每隔200 ms完成一次采样，达到一定次数后进入空闲模式，在保证数据时效性的前提下把系统功耗降到最低。

图4 CC2420和Atmega128的连接Fig.4 Connection of CC2420 and Atmega128

图5 测量节点流程图Fig.5 Flow chart of sensor node

4 结束语

整个系统采用压力式测量原理，以高性能AVR单片机Atmega128和基于ZigBee的无线传感模块CC2420为核心，以皮托管和差压传感器作为主要检测元件，通过采集风速相关数据并自动发送到无线网络[8]中的数据收集器节点，实现了交通气象站的智能化、高精度风速测量。选用的24位模数转换器ADS1254、Atmega128和CC2420，都具有高性能、低功耗的特点。系统在0～40 m/s风速范围内进行了多次实验，测量结果显示系统运行稳定，测量误差较小，可以满足交通气象观测使用要求。

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