ZigBee无线传感器网络在TWP3风廓线雷达系统中的应用

吴维 吴艳锋 商量 张垚 段士军 陆雅萍

（1 北京敏视达雷达有限公司，北京 100094； 2北京理工大学，北京 100081）

0 引言

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的“散射”作用对大气风场等物理量进行探测的一种遥感设备[1]。TWP3风廓线雷达是一款边界层风廓线雷达，支持24 h无人值守全自动运行。雷达状态信息及机房室内外环境信息的采集与上传是十分必要的[2]。传统方案是利用计算机串口，采用RS232或RS422等有线通信协议读取雷达状态监视器或每一路传感器的数据。这种方案存在布线繁琐、计算机串口数量有限、传感器数量不易增加等缺点[3]。

万物互联的物联网思想提供了另外的方案，通过建立一个无线传感器网络也可以实现状态信息的感知、识别、监视和应用。针对TWP3风廓线雷达技术特点综合对比几种无线网络方案，ZigBee技术有其独到之处。

1 ZigBee技术简介

Z i g B e e 是一种短距离无线通信协议，使用868 MHz、915 MHz和2.4 GHz这3个ISM（Industrial、Scientific and Medical：工业、科学和医疗）工作频段，可在全球范围内免费使用[4]。和WiFi相比，ZigBee成本低、功耗低；和蓝牙相比，ZigBee传输距离长、开发难度小。目前ZigBee无线网络已经广泛应用于智能家居、智慧农业、智慧交通、医院监护、工业自动化等物联网领域。

1.1 ZigBee 技术体系

ZigBee协议在开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）参考模型的基础上，结合无线网络的特点，采用分层的思想实现，如图1所示。

图1 ZigBee无线网络各层示意图Fig. 1 Schematic diagram of each layer of the ZigBee wireless network

可以看出，ZigBee无线网络共分为5层：物理层、介质访问控制层、网络层、应用程序支持子层以及应用层。其中，IEEE802.15.4定义了物理层和介质访问控制层的数据传输规范，ZigBee协议定义了网络层、应用程序支持子层以及应用层的数据传输规范[5]。

1.2 ZigBee 无线网络拓扑形式

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以组成星形、树形和网状网[6]，如下图2所示。

星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，包含一个协调器（Co-ordinator）节点和一系列的终端（ End Device）节点。每一个End Device节点只能和Coordinator节点进行通信。如果需要在两个End Device节点之间进行通信，必须通过Co-ordinator节点进行信息的转发。树形拓扑包括一个Co-ordinator以及一系列的Router（路由器）和End Device节点。Co-ordinator连接一系列的Router和End Device，它的子节点的Router也可以连接一系列的Router和End Device，这样可以重复多个层级。网状拓扑（Mesh拓扑）包含一个Coordinator和一系列的Router以及End Device。这种网络拓扑支持路由节点之间直接通信，一旦某个路由路径出现问题，信息可以自动沿其他路由路径继续传输[7]。

星形和树形网络适合单点对多点、距离相对较近的应用。Mesh网状网络支持复杂的网络组合，可以覆盖更广阔的范围以及更多的设备[8]。

图2 ZigBee3种网络拓扑结构Fig. 2 Three network topologies of the ZigBee

2 TWP3风廓线雷达ZigBee无线传感器网络组建

结合TWP3风廓线雷达的特点，选择组建星形网络。主控计算机作为协调器，雷达状态监视器、室内外环境信息采集板分别作为3个终端节点。

2.1 ZigBee 无线通信电路板的设计及室内外环境信息检测的实现

组建ZigBee无线传感器网络，需要有相关硬件和软件支持。硬件方面，美国TI公司SimpleLinkTM平台推出了支持ZigBee协议的CC2538芯片，这是一枚基于ARM Cortex-M3内核的单片机片上系统（SoC），强大的计算能力以及丰富的外设，使得此芯片特别适合数据采集及控制方面的应用。软件方面，TI公司也推出了相应的Z-stack协议栈[9]。只要在编写CC2538芯片程序时集成并调用Z-stack协议栈的函数，就可以设定电路板在无线传感器网络中的类型，实现无线通信，同时可以利用芯片上的外设实现信息采集和控制的功能。

TWP3风廓线雷达室内环境信息包括温度、湿度以及烟雾报警这3个变量。室外环境信息包括温度、烟雾报警和GPS信号这3个变量。综合考虑TWP3风廓线雷达的无线传感器网络需求，利用CC2538芯片设计一块电路板，预留温度传感器、湿度传感器、烟雾报警器以及RS232的接口，其中RS232接口可以和GPS传感器、状态监视器或者主控计算机通信。为了增加灵活性，此电路设计为直流电源或电池双供电模式。得益于CC2538芯片的超低功耗特性，作为终端节点使用时，采用4节5号电池供电，此电路可以工作半年以上时间[10]。

设计的ZigBee无线通信电路板功能框图如图3所示。

图3 ZigBee无线通信电路板功能框图Fig. 3 Functional block diagram of ZigBee wireless communication circuit board

TWP3风廓线雷达进行室内外环境信息检测时，室内外各放置一块ZigBee无线通信电路板，根据需要连接相应传感器，即可实现预期功能。程序方面，需要将负责室内外环境信息检测的电路板设置为网络终端节点。

2.2 状态监视器的改造

TWP3状态监视器负责采集雷达自身状态信息，包括交流电电压、模拟电路直流电压、数字电路直流电压及雷达各个模块的状态信息。以前状态监视器电路通过RS232串口和计算机串口进行通信，现在令状态监视器电路通过RS232串口将信息传给ZigBee无线通信电路板，再由ZigBee无线通信电路板加入无线传感器网络。这种方案，硬件电路方面几乎不用修改，软件程序方面，需要将与状态监视器相连的ZigBee无线通信电路板设置为网络终端节点。TWP3状态监视器作为网络终端节点的框图如图4所示。

图4 TWP3状态监视器作为网络终端节点Fig. 4 TWP3 status monitoring unit as network terminal node

2.3 主控计算机的改造

室内外环境信息检测电路板和状态监视器都被设置为网络终端节点，ZigBee无线传感器网络中的协调器就由主控计算机担任。将ZigBee无线通信电路板设置为协调器，通过RS232串口与计算机串口相连，计算机可以像使用串口一样通过ZigBee无线通信电路板读取网络终端节点的数据。

2.4 无线传感器网络工作流程

ZigBee无线传感器网络协调器和终端节点的工作流程如图5所示。

主控计算机通过网络协调器轮询状态监视器、室内、外环境信息检测电路，就可以得到所需的信息。鉴于这些信息重要性和优先级不同，状态监视器的信息每2 s读取一次，室内环境信息每分钟读取1次，室外环境信息每5 min读取1次。对于采用电池供电的电路，可以令CC2538间歇进入低功耗模式，这样可以显著延长电池的使用寿命[10]。

3 ZigBee无线传感器网络在TWP3风廓线雷达应用效果

在实际应用中，ZigBee无线传感器网络每小时的通信次数就可以达到上千次。一个月的试用期内，即使天气条件恶劣，ZigBee无线传感器网络也能将数据稳定、可靠地上传至主控计算机。对于电磁兼容问题，一方面，TWP3风廓线雷达接收通道前端配置（1290±2） MHz的腔体滤波器，中频放大器后端配置（60±1） MHz的LC滤波器，ZigBee的频谱不会影响雷达工作；另一方面，雷达自身发射频谱也被有效控制，雷达发射机静态噪声＜110 dBm/MHz，杂散＜60 dBm，雷达也不会影响ZigBee无线传感器网络[11]。实际使用中，TWP3风廓线雷达通过WPCS软件读取ZigBee无线传感器网络的数据，如图6所示。

4 结论

图5 ZigBee无线传感器网络协调器和终端节点的工作流程Fig. 5 Workflow of the ZigBee wireless sensor network coordinator and terminal node

图6 WPCS软件读取ZigBee无线传感器网络的数据Fig. 6 Data reading from the ZigBee wireless sensor network using the software WPCS

ZigBee无线传感器网络是实现物联网的方案之一。通过在TWP3风廓线雷达应用ZigBee无线传感器网络，解决了传统方案布线繁琐、计算机串口数量有限、传感器数量不易增加等问题。实际使用中还发现，某些风廓线雷达和自动气象站相邻，而某些自动气象站或站内某些探测设备也支持ZigBee无线网络协议[12]。将自动气象站的信息和雷达的信息互相融合，综合处理，会不会产生新的应用和收获？万物互联的物联网，一定会助力气象设备取得新的发展。