《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準器
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第8期
唐慧強，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)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動氣象站的手持式校準器，主要包括ZigBee協(xié)議棧處理器為核心的無線傳輸功能模塊、單片計算機、液晶顯示模塊、NANDFlash存儲器、時鐘電路等。詳細介紹了手持式校準器的軟硬件設(shè)計方法，實現(xiàn)了對無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動氣象站的被校準傳感器所發(fā)送數(shù)據(jù)的無線接收、顯示和存儲，通過與標準器讀數(shù)比對并發(fā)送校準命令來校準現(xiàn)場傳感器的零點及滿量程，同時發(fā)送打印數(shù)據(jù)給無線打印機，實現(xiàn)校準結(jié)果的無線打印。
中圖分類號： TN836
文獻標識碼： A
文章編號： 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，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，在自動氣象數(shù)據(jù)采集中得到應(yīng)用。

    隨著時間的推移，自動氣象站的各個氣象傳感器的測量準確度會產(chǎn)生漂移，必須定期進行校準，以確保測量數(shù)據(jù)的準確、可靠。傳統(tǒng)的校準裝置采用有線形式，為實現(xiàn)自動讀數(shù)及校準需要與各個傳感器和標準器進行連接，給現(xiàn)場校準帶了不少麻煩。因此，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準器，以無線方式接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動氣象站各個傳感器發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)，通過與標準器的比對并發(fā)送校準命令來校準傳感器的零點及滿量程，避免了校準裝置和自動氣象站之間的連線。校準完成時發(fā)送打印數(shù)據(jù)給無線打印機，實現(xiàn)校準結(jié)果的無線打印。
1 手持式校準器設(shè)計與實現(xiàn)原理
    本設(shè)計利用ZigBee協(xié)議棧處理器為核心的無線傳輸功能模塊、單片計算機、液晶顯示模塊、NANDFlash存儲器、時鐘電路等，主要實現(xiàn)對所要校準的氣象傳感器數(shù)據(jù)與校準器數(shù)據(jù)的無線接收、顯示和存儲，并通過對傳感器數(shù)據(jù)與標準器數(shù)據(jù)的比對來發(fā)送校準命令給校準的氣象傳感器。
    手持式校準器工作流程圖如圖1所示。當對無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動氣象站的傳感器進行校準時，手持式校準器作為路由器加入自動氣象站所在的網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送包含所要校準氣象傳感器信息的校準開始命令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到校準開始命令后會轉(zhuǎn)發(fā)該氣象傳感器數(shù)據(jù)和校準器數(shù)據(jù)給手持式校準器，由手持式校準器進行數(shù)據(jù)的顯示、存儲和處理。當校準完成時，通過點擊手持式校準器屏幕的“發(fā)送”，將校準命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給所校準的氣象傳感器，從而實現(xiàn)該傳感器的零點及滿量程校準。通過點擊手持式校準器屏幕的“打印”，手持式校準器發(fā)送打印數(shù)據(jù)給無線打印機，實現(xiàn)校準結(jié)果的無線打印。


2 硬件電路設(shè)計
2.1 CC2530與單片機的連接
    手持式校準器的ZigBee協(xié)議棧處理器選用以CC2530為核心的無線傳輸功能模塊，單片計算機選用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標準以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標準，提供101 dB的鏈路質(zhì)量，具有高接收靈敏度和強抗干擾性，同時具有低功耗、低成本、時延短、高容量、高安全等特點[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，不能同時勝任彩色液晶顯示、鍵盤、大容量存儲器等連接的需要，因此采用了單片機STC89C516RD+來實現(xiàn)這些功能，成為雙處理器結(jié)構(gòu)。
    CC2530與單片機之間采用串口通信，波特率設(shè)置為57 600 b/s，因此單片機和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，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。單片機是手持式校準器的核心部分，主要負責(zé)發(fā)送校準開始命令，以及對CC2530通過串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示，發(fā)送打印數(shù)據(jù)，同時控制其他電路的穩(wěn)定運行。

2.2 單片機外圍電路設(shè)計
    手持式校準器需要發(fā)送各種命令和打印數(shù)據(jù)，還需存儲和顯示所接收的數(shù)據(jù)、時間和日期等。為實現(xiàn)手持式校準器的便攜性，手持式校準器采用3.7 V高性能鋰電池供電。由于手持式校準器各個電路采用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和電腦上得到廣泛應(yīng)用。為了增加界面的可視性，同時避免外接按鍵電路引起的校準器體積變大，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)總線的擴展問題[4]。存儲電路采用三星的K9F1G08U0A，其1 Gbit的存儲空間完全能夠保存1天內(nèi)接收到的所有氣象數(shù)據(jù)。校準器采用時鐘芯片DS1302產(chǎn)生時間和日期[5]，單片機外圍電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

 


    由于手持式校準器是雙處理器結(jié)構(gòu)，所以需要對CC2530和單片機分別編程。CC2530采用IAR Embedded Workbench進行開發(fā)，所選用Z-Stack是ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0[6]。單片機采用Keil C51（uVision3）編程。
    手持式校準器是以路由器（Router）的形式加入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，所以CC2530燒錄程序時EW的工程選擇RouterEB。CC2530主要負責(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。

    單片機負責(zé)發(fā)送各種命令、接收數(shù)據(jù)的存儲和顯示、觸摸屏不同界面的觸摸處理、時間和日期的更改和顯示等。單片機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間日期選擇顯示子程序等，單片機串口數(shù)據(jù)接收處理程序流程圖如圖5所示，當顯示平均誤差后，如果點擊觸摸屏的“發(fā)送”，則單片機會將包含平均誤差的校準命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給校準的氣象傳感器；如果點擊“菜單”，則進入下一菜單，此時點擊“打印”，單片機會將存儲的傳感器數(shù)據(jù)、標準器數(shù)據(jù)和平均誤差發(fā)送給無線打印機打印。
4 實驗結(jié)果分析
    選用自動氣象站的氣溫傳感器進行測試。將福祿克的鉑電阻溫度計作為標準器，放在被測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準器的數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/min，發(fā)送校準命令前的數(shù)據(jù)如表1所示，發(fā)送校準命令后的數(shù)據(jù)如表2所示。

    由表1和表2可以看出，經(jīng)過比對并發(fā)送校準命令后，被測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器再產(chǎn)生一個標準的溫度源，則可以求出溫度計的量程校準系數(shù)來實現(xiàn)量程校準。
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準器，在試驗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大小，可校準基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動氣象站中的所有氣象傳感器。該手持式校準器具有體積小、攜帶方便、功耗低、操作簡單等特點。
參考文獻
[1] AKYILDIZ I F,SU W,SANKARASUBRAMANIAM Y，et al.  Wireless sensor networks：a survey[J].Computer Networks，2002，38：393-341.
[2] Texas Instruments.CC2530 Datasheet，2009.
[3] 張大明.單片機控制實訓(xùn)指導(dǎo)及綜合應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：152-154.
[4] 周杏鵬.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：32-56.
[5] 鄭峰，王巧芝，陳繪兵，等.51單片機應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M].北京：中國鐵道出版社，2010：273-293.
[6] Texas Instruments.Upgrading To Z-Stack v2.3 Datasheet，2010.

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