文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)08-0050-03
隨著傳感器技術、嵌入式計算技術和無線通信技術的高速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡（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)絡容量大的特點，在自動氣象數(shù)據(jù)采集中得到應用。
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，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的手持式校準器，以無線方式接收無線傳感網(wǎng)絡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)校準結果的無線打印。
1 手持式校準器設計與實現(xiàn)原理
本設計利用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)校準結果的無線打印。
2 硬件電路設計
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，成為雙處理器結構。
CC2530與單片機之間采用串口通信，波特率設置為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的設備類型被設置為路由器，主要負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)。單片機是手持式校準器的核心部分，主要負責發(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 軟件設計
由于手持式校準器是雙處理器結構，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)絡中，所以CC2530燒錄程序時EW的工程選擇RouterEB。CC2530主要負責加入無線傳感網(wǎng)絡后數(shù)據(jù)的轉發(fā)，包括搜尋網(wǎng)絡子程序、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.單片機控制實訓指導及綜合應用實例[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[M].北京：清華大學出版社，2010：32-56.
[5] 鄭峰，王巧芝，陳繪兵，等.51單片機應用系統(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.