采用無線ZigBee技術(shù)與3G移動通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線測光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了基于ZigBee短距離無線通信技術(shù)與3G遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程無線測光系統(tǒng)；該系統(tǒng)處理器選用的是三星S5PV210處理器，短距離無線通信模塊采用TI公司的CC2530芯片，3G上網(wǎng)卡設(shè)備用的是中興MF190無線上網(wǎng)模塊。文中給出了系統(tǒng)具體的軟硬件設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以達(dá)到穩(wěn)定高效的監(jiān)測效果，具有良好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ZigBee 技術(shù)是一種低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠和網(wǎng)絡(luò)容量大的無線通信技術(shù)。根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 的工作頻段分為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個(gè)頻段，其中2.4 GHz頻段上分為16個(gè)信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250 Kb/s，功耗發(fā)射輸出僅為0~3.6 dBm，綜合考慮選擇使用2.4 GHz頻段。

系統(tǒng)主要由三部分組成：光照度終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)控中心。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)帶有光照強(qiáng)度傳感器的終端采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。終端采集節(jié)點(diǎn)BH1750數(shù)字光照度傳感器采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過CC2530射頻收發(fā)模塊以無線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)CC2530射頻收發(fā)模塊，主節(jié)點(diǎn)CC2530射頻收發(fā)模塊再與主控制器S5PV210進(jìn)行通信，通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測中心。

2.1 協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是建立、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入以及數(shù)據(jù)的匯總、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，它是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的控制中心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。無線射頻收發(fā)芯片CC2530 完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)無線收發(fā)；3G上網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸；主控芯片S5PV210負(fù)責(zé)整個(gè)主節(jié)點(diǎn)模塊的協(xié)調(diào)與控制。

圖2 局域網(wǎng)控制主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

CC2530 是用于IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，CC2530 結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM 和其他強(qiáng)大的功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256 KB 的閃存。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，可進(jìn)一步確保低能源消耗。

2.2 終端采集分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)，其硬件電路原理圖如圖3所示。數(shù)字光照度傳感器BH1750負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集；無線射頻收發(fā)芯片CC2530 負(fù)責(zé)與局域網(wǎng)控制中心無線通信，采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到局域網(wǎng)控制中心。

圖3 局域網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)電路原理圖

BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化，探測范圍可以從1~65 535 lx，支持I2C總線接口（f/s Mode Support），具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性（峰值靈敏度波長典型值為560 nm）[6]；輸出對應(yīng)亮度的數(shù)字值；通過降低功率功能，實(shí)現(xiàn)低電流；通過50 Hz/60 Hz 除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測定；支持1.8 V 邏輯輸入接口；無需其他外部件；光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)簟坠?LED、日光燈）；有兩種可選的I2C總線slave 地址；可調(diào)的測量結(jié)果影響較大的因素為光入口大?。蛔钚≌`差變動在±20%；受紅外線影響很小。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括終端節(jié)點(diǎn)采集程序、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線傳輸程序、3G網(wǎng)絡(luò)無線傳送程序和上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測程序的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)

BH1750與主控器之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線通信協(xié)議。I2C 總線是一種由NXP公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備[7]。主控器通過I2C總線接口向BH1750發(fā)送各種控制命令以及讀取測量數(shù)據(jù)。主要控制命令如下：上電指令為0x01；斷電指令為0x00;連續(xù)H分辨率模式為0x10;連續(xù)L分辨率模式為0x13；一次H分辨率模式為0x20；一次L分辨率模式為0x23。

以“連續(xù)高分辨率模式”為例，測量步驟如下：

① 發(fā)送“上電”指令。

② 發(fā)送“連續(xù)高分辨率模式”指令。

③ 等待完成第一次高分辨率模式的測量（最大時(shí)間為180 ms）。

④ 發(fā)送讀指令。

⑤ 讀測量結(jié)果。

3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線傳送程序設(shè)計(jì)

ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，ZDO層首次進(jìn)行一系列的初始化工作，然后調(diào)用ZDO層的初始化設(shè)備函數(shù)，最終觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)，開始構(gòu)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先逐個(gè)對各個(gè)信道進(jìn)行掃描，根據(jù)各個(gè)信道的能量值進(jìn)行排序，選擇能量值達(dá)到一定大小的信道為可用信道。其次，由網(wǎng)絡(luò)層在可用信道中選定信道，并隨機(jī)選擇一個(gè)在所選信道中唯一的16位網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（PANID）分配給這個(gè)新建的網(wǎng)絡(luò)[8]。協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

終端采集節(jié)點(diǎn)上電以后進(jìn)行設(shè)備初始化，然后檢測周圍是否有網(wǎng)絡(luò)存在，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDA層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)反饋信息，然后由網(wǎng)絡(luò)層向能量強(qiáng)度相對較大的網(wǎng)絡(luò)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請求；加入網(wǎng)絡(luò)成功，則網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDA層加入網(wǎng)絡(luò)反饋。成功加入網(wǎng)絡(luò)之后開始向協(xié)調(diào)器發(fā)出綁定請求，綁定成功后開始對光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器終端采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。

3.3 3G網(wǎng)絡(luò)無線傳送部分設(shè)計(jì)

3.3.1 usb_modeswitch的移植

usb_modeswitch是一種在Linux系統(tǒng)下對USB設(shè)備的工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的工具，用于控制含有多個(gè)USB子設(shè)備的USB設(shè)備。在Linux環(huán)境下，廠家一般不會提供USB設(shè)備在Linux系統(tǒng)上的驅(qū)動，所以需要用usb_modeswitch工具來進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。設(shè)備模式依賴usbstorage和usbserial，所以在開發(fā)板上需要有這兩種模塊的支持，設(shè)備小能夠正常工作于這兩種模式下。

usb_modeswitch依賴于libusb提供的一系列庫文件，首先需要安裝libusb.解壓并進(jìn)入libusb1.0.6目錄，使用如下命令建立子目錄install，用于存放最后生存的庫文件與頭文件。usb_modeswitch移植過程略--編者注。

3.3.2 PPPD的移植

Linux在內(nèi)核中已經(jīng)支持3G模塊驅(qū)動和PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，需要做的工作是在內(nèi)核中配置3G模塊驅(qū)動和PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的相關(guān)選項(xiàng)。PPPD的移植過程略—編者注。

在開發(fā)板文件系統(tǒng)/etc/ppp/peers目錄下邊創(chuàng)建三個(gè)文件，代碼略—編者注。

3.3.3 主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

通過PPPD的撥號，可以建立數(shù)據(jù)鏈路層的連接，數(shù)據(jù)鏈路層采用PPP協(xié)議，它是一種面向字符的協(xié)議，是為在兩個(gè)對等實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù)包連接而設(shè)計(jì)的，使用可擴(kuò)展的鏈路控制協(xié)議LCP來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路。網(wǎng)絡(luò)程序還需要TCP/IP協(xié)議的支持，Linux內(nèi)核已經(jīng)保留了對TCP/IP以及其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持。最后編寫嵌入式Linux上的網(wǎng)絡(luò)客戶端應(yīng)用程序和Windows網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端應(yīng)用程序，傳送想要傳送的數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)主控制器與上位機(jī)服務(wù)器通信的程序流程圖如圖6所示。

圖6 主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信程序流程圖

3.4 服務(wù)器上位機(jī)監(jiān)測部分

服務(wù)器上位機(jī)軟件的開發(fā)采用Microsoft Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境，采用的是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，對于每一個(gè)窗口都建立了相應(yīng)的類，在類的基礎(chǔ)上創(chuàng)建對象，對對象的操作就是對其對應(yīng)的窗口的操作。監(jiān)控中心軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：建立服務(wù)器端并接收客戶端的連接；接收客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并顯示；實(shí)時(shí)曲線顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢。

4 調(diào)試測試

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)有個(gè)別是錯(cuò)誤的，通過查看二進(jìn)制代碼發(fā)現(xiàn)0x11、0x13字符沒有接收到?？s小范圍查看問題出在哪個(gè)環(huán)節(jié)，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)控制器S5PV210沒有接收到0x11、0x13字符，而主節(jié)點(diǎn)CC2530單片機(jī)已經(jīng)接收到了0x11、0x13字符，那么問題一定出現(xiàn)在串口上。

在Linux串口編程中都沒對c_iflag（termios成員變量）這個(gè)變量進(jìn)行有效的設(shè)置，這樣傳送ASCII碼時(shí)沒有問題，但傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)遇到0x0d、0x11和0x13卻會被丟掉。這幾個(gè)字符是特殊字符，被用作特殊控制了，只需要關(guān)掉ICRNL和IXON選項(xiàng)即可。

具體做法是在主控制器Linux串口初始化函數(shù)中添加以下語句：

options.c_iflag &= ~（ICRNL | IXON | IXOFF）；

options是之前定義的termios類型的結(jié)構(gòu)體。通過以上設(shè)置就可以屏蔽掉0x11、0x13字符的特殊功能，從而能正常傳送以上字符。

4.2 系統(tǒng)功能測試

連接好硬件設(shè)備后，配置編譯內(nèi)核，將編譯好的內(nèi)核通過USB下載到開發(fā)板上，然后重啟。再將編譯好的應(yīng)用程序通過串口終端下載到開發(fā)板上。將3G上網(wǎng)卡插到USB接口上，使用如下命令建立3個(gè)TTY設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)，代碼略—編者注。

我們可以看到PING新浪的WEB服務(wù)器可以PING通，說明已經(jīng)成功接入因特網(wǎng)了。然后將4個(gè)終端分節(jié)點(diǎn)放在不同的光照環(huán)境下，啟動上位機(jī)軟件，建立服務(wù)器端，開始等待接收主節(jié)點(diǎn)客戶端的連接請求和發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并且顯示。啟動主節(jié)點(diǎn)客戶端程序來連接服務(wù)器，最后啟動分節(jié)點(diǎn)的采集傳送程序。上位機(jī)接收到并顯示的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖略—編者注。

結(jié)語

本文闡述了一種將低成本、低功耗的短距離無線ZigBee 技術(shù)與遠(yuǎn)距離3G移動通信技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程無線測光系統(tǒng)，并完成了對采集終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，通過編寫Windows平臺上位機(jī)軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與分析。