《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準(zhǔn)器
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第8期
唐慧強(qiáng)，咸愛國
南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京210044
摘要： 設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)氣象站的手持式校準(zhǔn)器，主要包括ZigBee協(xié)議棧處理器為核心的無線傳輸功能模塊、單片計(jì)算機(jī)、液晶顯示模塊、NANDFlash存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路等。詳細(xì)介紹了手持式校準(zhǔn)器的軟硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)氣象站的被校準(zhǔn)傳感器所發(fā)送數(shù)據(jù)的無線接收、顯示和存儲(chǔ)，通過與標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)比對(duì)并發(fā)送校準(zhǔn)命令來校準(zhǔn)現(xiàn)場傳感器的零點(diǎn)及滿量程，同時(shí)發(fā)送打印數(shù)據(jù)給無線打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果的無線打印。
中圖分類號(hào)： TN836
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)08-0050-03
Hand-held calibrator based on wireless sensor networks
Tang Huiqiang，Xian Aiguo
Department of Information & Control，Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044，China
Abstract： A handheld calibrator based on wireless sensor network of automatic weather stations is designed,mainly including a wireless transmission module using ZigBee protocol stack processor as the core,single-chip computer,a LCD module, NANDFlash memory,clock circuit,etc.The method of hardware and software design for the handheld calibrator is introduced in detail to realize the wireless receiving,display and storage of data sent by calibrated sensors of wireless sensor network in automatic weather stations.By comparing with readings of standard devices and sending calibrating commands，it is realized to calibrate the zero and full range of field sensors,meantime,send printing data to the wireless printer to achieve wireless printing of the calibrated results.
Key words : ZigBee；CC2530；serial interface；calibration；wireless printing

    隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks），并以其低距離近、低成本、低功耗、自組織和分布式的特點(diǎn)，帶來了信息感知的一場革命[1]。其中ZigBee以其保密性好、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)，在自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集中得到應(yīng)用。

    隨著時(shí)間的推移，自動(dòng)氣象站的各個(gè)氣象傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)產(chǎn)生漂移，必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置采用有線形式，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀數(shù)及校準(zhǔn)需要與各個(gè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行連接，給現(xiàn)場校準(zhǔn)帶了不少麻煩。因此，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準(zhǔn)器，以無線方式接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)氣象站各個(gè)傳感器發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)，通過與標(biāo)準(zhǔn)器的比對(duì)并發(fā)送校準(zhǔn)命令來校準(zhǔn)傳感器的零點(diǎn)及滿量程，避免了校準(zhǔn)裝置和自動(dòng)氣象站之間的連線。校準(zhǔn)完成時(shí)發(fā)送打印數(shù)據(jù)給無線打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果的無線打印。
1 手持式校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理
    本設(shè)計(jì)利用ZigBee協(xié)議棧處理器為核心的無線傳輸功能模塊、單片計(jì)算機(jī)、液晶顯示模塊、NANDFlash存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所要校準(zhǔn)的氣象傳感器數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)器數(shù)據(jù)的無線接收、顯示和存儲(chǔ)，并通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)的比對(duì)來發(fā)送校準(zhǔn)命令給校準(zhǔn)的氣象傳感器。
    手持式校準(zhǔn)器工作流程圖如圖1所示。當(dāng)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)氣象站的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，手持式校準(zhǔn)器作為路由器加入自動(dòng)氣象站所在的網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送包含所要校準(zhǔn)氣象傳感器信息的校準(zhǔn)開始命令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到校準(zhǔn)開始命令后會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該氣象傳感器數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)器數(shù)據(jù)給手持式校準(zhǔn)器，由手持式校準(zhǔn)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和處理。當(dāng)校準(zhǔn)完成時(shí)，通過點(diǎn)擊手持式校準(zhǔn)器屏幕的“發(fā)送”，將校準(zhǔn)命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給所校準(zhǔn)的氣象傳感器，從而實(shí)現(xiàn)該傳感器的零點(diǎn)及滿量程校準(zhǔn)。通過點(diǎn)擊手持式校準(zhǔn)器屏幕的“打印”，手持式校準(zhǔn)器發(fā)送打印數(shù)據(jù)給無線打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果的無線打印。


2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 CC2530與單片機(jī)的連接
    手持式校準(zhǔn)器的ZigBee協(xié)議棧處理器選用以CC2530為核心的無線傳輸功能模塊，單片計(jì)算機(jī)選用STC89C-516RD+。CC2530是TI公司以C51為內(nèi)核的ZigBee芯片，它支持國際802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標(biāo)準(zhǔn)，提供101 dB的鏈路質(zhì)量，具有高接收靈敏度和強(qiáng)抗干擾性，同時(shí)具有低功耗、低成本、時(shí)延短、高容量、高安全等特點(diǎn)[2]。盡管CC2530自身內(nèi)嵌了高性能的C51處理器，但由于其資源有限，不能同時(shí)勝任彩色液晶顯示、鍵盤、大容量存儲(chǔ)器等連接的需要，因此采用了單片機(jī)STC89C516RD+來實(shí)現(xiàn)這些功能，成為雙處理器結(jié)構(gòu)。
    CC2530與單片機(jī)之間采用串口通信，波特率設(shè)置為57 600 b/s，因此單片機(jī)和CC2530的串行接口都通過編程使串行接口工作在同樣的波特率[3]。CC2530與單片機(jī)的連接電路如圖2所示，CC2530的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端(P0_3)與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)接收端(RXD)直接相連，CC2530的串行數(shù)據(jù)接收端(P0_2)與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端(TXD)直接相連。CC2530的設(shè)備類型被設(shè)置為路由器，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。單片機(jī)是手持式校準(zhǔn)器的核心部分，主要負(fù)責(zé)發(fā)送校準(zhǔn)開始命令，以及對(duì)CC2530通過串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和顯示，發(fā)送打印數(shù)據(jù)，同時(shí)控制其他電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)
    手持式校準(zhǔn)器需要發(fā)送各種命令和打印數(shù)據(jù)，還需存儲(chǔ)和顯示所接收的數(shù)據(jù)、時(shí)間和日期等。為實(shí)現(xiàn)手持式校準(zhǔn)器的便攜性，手持式校準(zhǔn)器采用3.7 V高性能鋰電池供電。由于手持式校準(zhǔn)器各個(gè)電路采用3.3 V供電，所以要把3.7 V降到3.3 V，這里選擇PAM3101DAB330，其壓差為0.18 V，即使鋰電池的電壓降到3.5 V，PAM3101-DAB330輸出電壓仍能穩(wěn)定在3.3 V。目前觸摸屏功能在手機(jī)和電腦上得到廣泛應(yīng)用。為了增加界面的可視性，同時(shí)避免外接按鍵電路引起的校準(zhǔn)器體積變大，這里采用了支持觸摸屏功能的彩色液晶顯示模塊。由于顯示模塊具有16 bit數(shù)據(jù)總線，通過外加74HC373將單片機(jī)發(fā)送的高8 bit數(shù)據(jù)鎖存，然后和低8 bit數(shù)據(jù)一起發(fā)送給顯示模塊，解決了數(shù)據(jù)總線的擴(kuò)展問題[4]。存儲(chǔ)電路采用三星的K9F1G08U0A，其1 Gbit的存儲(chǔ)空間完全能夠保存1天內(nèi)接收到的所有氣象數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)器采用時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)間和日期[5]，單片機(jī)外圍電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

 


    由于手持式校準(zhǔn)器是雙處理器結(jié)構(gòu)，所以需要對(duì)CC2530和單片機(jī)分別編程。CC2530采用IAR Embedded Workbench進(jìn)行開發(fā)，所選用Z-Stack是ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0[6]。單片機(jī)采用Keil C51（uVision3）編程。
    手持式校準(zhǔn)器是以路由器（Router）的形式加入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，所以CC2530燒錄程序時(shí)EW的工程選擇RouterEB。CC2530主要負(fù)責(zé)加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)后數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，包括搜尋網(wǎng)絡(luò)子程序、入網(wǎng)子程序、無線數(shù)據(jù)接收處理子程序、串口數(shù)據(jù)接收處理子程序等，CC2530的總體程序流程圖如圖4所示。

    單片機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送各種命令、接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示、觸摸屏不同界面的觸摸處理、時(shí)間和日期的更改和顯示等。單片機(jī)的主文件中包含串口數(shù)據(jù)接收處理子程序、觸摸屏處理子程序和時(shí)間日期選擇顯示子程序等，單片機(jī)串口數(shù)據(jù)接收處理程序流程圖如圖5所示，當(dāng)顯示平均誤差后，如果點(diǎn)擊觸摸屏的“發(fā)送”，則單片機(jī)會(huì)將包含平均誤差的校準(zhǔn)命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給校準(zhǔn)的氣象傳感器；如果點(diǎn)擊“菜單”，則進(jìn)入下一菜單，此時(shí)點(diǎn)擊“打印”，單片機(jī)會(huì)將存儲(chǔ)的傳感器數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)和平均誤差發(fā)送給無線打印機(jī)打印。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    選用自動(dòng)氣象站的氣溫傳感器進(jìn)行測(cè)試。將福祿克的鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器，放在被測(cè)氣溫傳感器的接近位置,穩(wěn)定15 min以后開始采集氣溫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/min，發(fā)送校準(zhǔn)命令前的數(shù)據(jù)如表1所示，發(fā)送校準(zhǔn)命令后的數(shù)據(jù)如表2所示。

    由表1和表2可以看出，經(jīng)過比對(duì)并發(fā)送校準(zhǔn)命令后，被測(cè)氣溫傳感器的平均誤差由原來的0.27 ℃降低到0.06 ℃，滿足了氣溫傳感器最大容許誤差在±0.2 ℃的要求。如果通過便攜式校準(zhǔn)器再產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的溫度源，則可以求出溫度計(jì)的量程校準(zhǔn)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)量程校準(zhǔn)。
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準(zhǔn)器，在試驗(yàn)中可以每一秒接收一次傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。采用了表面焊接的集成電路，其體積只有普通手機(jī)大小，可校準(zhǔn)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)氣象站中的所有氣象傳感器。該手持式校準(zhǔn)器具有體積小、攜帶方便、功耗低、操作簡單等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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