基于WSN的透射式能见度检测系统设计

　　基于无线传感网络的交通气象要素检测由无线网络覆盖范围内的各传感器单元进行气象要素采集[1]，并将采集结果通过无线方式发送至汇聚节点，由汇聚节点再做进一步处理。作为一个独立的测量节点，能见度测量系统以CC2430 为数据处理及通信核心，由发射机和主机组成，两者之间通过 ZigBee 协议实现无线通信。利用光电、温度传感器实现能见度及气温参数采集，并将测量结果通过无线方式定时发往数据汇聚节点，以便远程管控系统能及时收集并发布能见度等交通气象信息。

　　1 测量原理

　　能见度检测主要有散射、透射、目测等方法[2]。透射式利用发射光经一定距离的衰减来检测能见度，具有较好的代表性。系统采用透射式原理测量大气消光系数，即测量经过长距离空气衰减后的光强，计算接收光强与发射光强的比值，从而反演出能见度值。

　　发射激光在水平方向传播时，假定接收系统的视场角大于激光的束散角，大气在水平方向属性均匀。根据 Koschmieder定律 Bouguer - Lambert 定律[3]可以求得能见度VR:

式中: F0为激光发射光强; F 为经传输距离 L 衰减后的接收光强; L 为基线长度，指激光器到接收器镜头之间的光程。

　　由式( 1) 可知，激光发射强度及基线固定时，通过检测激光接收强度就可以求得能见度。

　　2 硬件设计

　　能见度测量系统由激光器、接收器、信号处理电路、无线传感器网络及稳压电路等组成，系统测量原理如图 1 所示。发射激光在空气中传输 30 ～100 m 后到达接收装置，因此需要解决激光发射器到接收器之间的通信控制问题。设计时采用无线传感器网络以有效解决通信控制问题，而能见度仪的设计也自然地分成远程的发射模块以及具有接收处理功能的接收模块两部分。

　　为满足无线芯片的微处理器和收发模块的要求，能见度仪发射机和接收机均采用 CC2430 无线芯片，可免去射频设计环节阶段复杂的、高成本的开发和测试过程。CC2430 是符合 Zig-Bee 标准的 2. 4 GHz 片上系统芯片，在单芯片上集成了 ZigBee射频前端和微处理器，还包含模数转换器、定时器、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及 21 个可编程 I/O 引脚等功能。在休眠模式时仅 0. 9 μA，外部中断或RTC 均能唤醒系统。在接收和发射模式下，CC2430 的电流分别低于 27 mA 和 25 mA[4]. 尽管激光器以及无线传感器网络的瞬时发射功率较大，但能见度变化相对缓慢，无需连续工作，因此发射模块整体功耗很低。

　　2. 1 光学系统设计与安装