基于ZigBee和S3C2440的手持式校準(zhǔn)儀研制方案

　　　0 引 言

　　自動(dòng)氣象站由氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、雨量、輻射等氣象傳感器及數(shù)據(jù)采集處理、管理系統(tǒng)等組成。自動(dòng)氣象站存在長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題，需要對(duì)氣象傳感器進(jìn)行定期的校準(zhǔn)來確保觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

　　氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)不能中斷，所以不能像普通計(jì)量?jī)x器一樣拆下后送檢到檢定室。較好的方法是直接在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)利用標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行比對(duì)后校準(zhǔn)。因此設(shè)計(jì)了一種手持式校準(zhǔn)儀，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來讀取自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)器的示值，并進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理

　　本設(shè)計(jì)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Windows CE操作系統(tǒng)，ARM 處理器開發(fā)了一種針對(duì)氣象要素傳感器校準(zhǔn)的手持式校準(zhǔn)儀。校準(zhǔn)的時(shí)候，被測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)利用ZigBee技術(shù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送給手持式校準(zhǔn)儀。校準(zhǔn)儀進(jìn)行誤差的計(jì)算，如果存在的誤差大于對(duì)應(yīng)要素預(yù)設(shè)的誤差，則會(huì)自動(dòng)生成校準(zhǔn)命令以及校準(zhǔn)值發(fā)送給傳感器，直到消除誤差為止。整個(gè)系統(tǒng)工作原理如圖1所示［1］。

　　圖1 系統(tǒng)工作原理

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該校準(zhǔn)儀硬件功能框圖如圖2所示，硬件主要由基于CC2530的數(shù)據(jù)采集模塊和具有ARM9內(nèi)核的硬件平臺(tái)模塊。

　　圖2 手持式校準(zhǔn)儀硬件框圖

　　數(shù)據(jù)采集模塊主要由CC2530芯片、傳感器及外圍部件構(gòu)成。在硬件平臺(tái)上進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植以及數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的功能［2］。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集模塊利用了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee傳感器終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，本系統(tǒng)采用的是TI公司的CC2530作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［3］.CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

　　CC2530具有極高的接收靈敏度和抗干擾性，只需要配合少數(shù)的外圍元器件就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能［4］。

　　2.2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用的32位ARM920T 的RISC處理器SamsungS3C2440A ，主頻400MHz.采用320×240分辨率的3.5英寸觸摸真彩液晶屏。SDRAM 采用的H57V2562GTR，具有32 MB 的存儲(chǔ)空間，NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08ROA.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用CC2530，具有較低的成本，只需要配合少數(shù)的外圍元器件就可以工作。S3C2440 與CC2530，NAND FLASH，SDRAM 的連接簡(jiǎn)圖如圖3所示。硬件系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔，體積小，運(yùn)算速度快，并可安裝WindowsCE，Linux等操作系統(tǒng)［5］。

　　圖3 系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　校準(zhǔn)儀根據(jù)所需校準(zhǔn)的氣象要素，進(jìn)入相應(yīng)的校準(zhǔn)界面，并自動(dòng)接收處理數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)誤差大于預(yù)設(shè)誤差時(shí)，在確認(rèn)校準(zhǔn)密碼后，自動(dòng)生成校準(zhǔn)命令并無線發(fā)送給對(duì)應(yīng)的氣象傳感器。

　　系統(tǒng)安裝了Windows CE 5.0操作系統(tǒng)。WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核體積小及可伸縮性、強(qiáng)大的通信能力等特點(diǎn)，被廣泛用于嵌入式智能設(shè)備的開發(fā)［6］。校準(zhǔn)儀系統(tǒng)軟件部分主要由兩部分構(gòu)成：一是串口通信，主要用于協(xié)調(diào)器與手持式校準(zhǔn)儀之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，另一部分是用戶界面軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)，兩者都使用嵌入式C#語言編寫，采用VS 2005的窗體界面進(jìn)行可視化軟件開發(fā)。圖4為系統(tǒng)軟件流程圖。

　　3.1 嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE.NET的移植

　　硬件系統(tǒng)完成后，需要將操作系統(tǒng)移植到硬件平臺(tái)并開發(fā)應(yīng)用程序。Platform Builder是基于WindowsCE.NET操作系統(tǒng)構(gòu)建定制嵌入式平臺(tái)而提供的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它提供了設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、編譯、測(cè)試和調(diào)試功能，以及平臺(tái)開發(fā)向?qū)Ш虰SP開發(fā)向?qū)?、基礎(chǔ)配置、仿真器、Windows CE Test Kit等。具體移植的步驟如下：

　　圖4 系統(tǒng)流程圖

　?。?）對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，配置各個(gè)組件及修改相關(guān)配置文件；（2）開發(fā)目標(biāo)設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)程序，建立定制的CE操作系統(tǒng)映像文件；44 現(xiàn)代電子技術(shù)2012年第35卷（3）將目標(biāo)文件下載到目標(biāo)設(shè)備上調(diào)試；（4）定制操作系統(tǒng)內(nèi)核后，導(dǎo)出平臺(tái)SDK，供在Visual Studio 2005中開發(fā)上層應(yīng)用軟件［7］。

　　3.2 開發(fā)環(huán)境的搭建

　　針對(duì)Windows CE 5.0 操作系統(tǒng)，選用基于。NET 2.0框架的Visual Studio 2005環(huán)境來開發(fā)。本文通過訪問。NET Compact FrameWork類庫，進(jìn)行圖形化窗口編程，在開發(fā)環(huán)境中選擇智能設(shè)備WindowsCE 5.0設(shè)備應(yīng)用程序模板進(jìn)行開發(fā)。

　　3.3 界面設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中，主要分為主界面，各氣象要素校準(zhǔn)界面。主界面主要用于氣象要素的選擇，使用了Menuitem控件進(jìn)行菜單的創(chuàng)建，另外還提供了編輯和工具等功能。在校準(zhǔn)界面中，主要使用了SerialPort，ComboBox，TextBox和Button等幾個(gè)控件。Serial-Port控件是用來對(duì)串口的設(shè)置，進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)；ComboBox控件用來對(duì)節(jié)點(diǎn)和校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇；TextBox控件用來存放數(shù)據(jù)；Button控件用來進(jìn)行一些命令的操作［8］。

　　3.4 校準(zhǔn)功能設(shè)計(jì)

　　進(jìn)入各個(gè)氣象要素校準(zhǔn)頁面，首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇，接著設(shè)置好串口號(hào)和波特率，打開串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收。在串口應(yīng)用程序中，發(fā)送區(qū)文本框?yàn)門xSend，接收區(qū)文本框名為Txrec，項(xiàng)目中添加一個(gè)SerialPort控件，名為Port，發(fā)送按鈕名為Send，下面是接收和發(fā)送的部分代碼［9］。

　　Port控件中DataReceived事件的處理函數(shù)為：

　　Void port_DataReceived （object send，SerialDataReceivedEventArgs）{int bytesToRead=port.BytesToRead;byte［］arr=new byte［bytesToRead］;port.Read（arr，0，bytesToRead）；string str=Encoding，Default，GetString（arr，0，bytes-ToRead）；txrec.Text+=str;}

　　發(fā)送按鈕單擊事件對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)為：

　　Void Send_Click（object send，EventArgs e）{Byte［］arr=Encoding.Default.GetBytes（txSend.txt）；Port.Write（arr，0，arr.Length）；}

　　由協(xié)調(diào)器接收傳感器網(wǎng)絡(luò)中氣象傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送到ARM 處理器，其數(shù)據(jù)采用九字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)的數(shù)據(jù)通信格式，如圖5所示。

　　第一字節(jié)是數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符；第二個(gè)字節(jié)表示氣象要素類型，01是氣壓，02是氣溫，03是濕度等；接下來連續(xù)四個(gè)字節(jié)是傳感器的數(shù)據(jù)，并緊跟兩位校驗(yàn)位；最后一個(gè)字節(jié)是結(jié)束符。

　　圖5 協(xié)調(diào)器串口發(fā)送格式

　　當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)解析接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)顯示在接收傳感器數(shù)據(jù)區(qū)中。如標(biāo)識(shí)符為“D”，則表示傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，如為“S”，表示標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)來的數(shù)據(jù)。將傳感器的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，如果誤差大于規(guī)定閾值，則將誤差數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)命令發(fā)送給傳感器。溫度校準(zhǔn)的運(yùn)行界面如圖6所示，采用第二個(gè)串口的目的是確保在標(biāo)準(zhǔn)器沒有連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)，直接利用串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。利用5次連續(xù)溫度檢測(cè)的平均值進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保校準(zhǔn)精度［10］。

　　圖6 溫度校準(zhǔn)時(shí)的軟件實(shí)時(shí)運(yùn)行界面

　　3.5 軟件的部署及移植

　　程序編寫完成之后在VS 2005開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試、目標(biāo)設(shè)備、傳輸協(xié)議等相關(guān)的設(shè)置，再將VS 2005與硬件設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行連接握手，利用微軟提供的工具ActiveSync將程序部署到手持式校準(zhǔn)儀中，并可在目標(biāo)設(shè)備上實(shí)時(shí)運(yùn)行。

　　為了將以上編譯的應(yīng)用程序固化到設(shè)備中，以便每次開機(jī)時(shí)都能自動(dòng)運(yùn)行，采用以下步驟進(jìn)行處理：

　?。?）把應(yīng)用程序Regulation.exe復(fù)制到PlatformBuilder 5.0安裝目錄下的FILES目錄中。

　　（2）創(chuàng)建Regulation.lnk 快捷方式文件，放入FILES目錄中。

　　（3）打開Platform.bib文件，添加如下內(nèi)容：

　　Regulation.exe＄（_FLATRELEASEDIR）Regulation.exeNK U;Regulation.lnk ＄（_FLATRELEASEDIR）Regulation.lnkNK U這樣，執(zhí)行SYSGEN的時(shí)候會(huì)把這兩個(gè)文件加入到內(nèi)核中，最后它們會(huì)存在于系統(tǒng)的Windows目錄中。

　?。?）打開Platform.dat，加入以下內(nèi)容：

　　Directory（“\windows\桌面”）：-File（“校準(zhǔn)儀。lnk”，“\windows\Regulation.lnk”）這將會(huì)在桌面上出現(xiàn)名稱為“校準(zhǔn)儀”的快捷方式。

　?。?）最后執(zhí)行菜單Builder→Sysgen生成NK.bin和NK.nb0，把它們燒寫或者下載到ARM 系統(tǒng)中啟動(dòng)后，就會(huì)在桌面上看到“校準(zhǔn)儀”快捷方式了。

　　4 結(jié) 語

　　通過系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)及軟件編程，完成了手持式校準(zhǔn)儀的設(shè)計(jì)，該手持式校準(zhǔn)儀能夠在無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)方便地進(jìn)行溫度、濕度、氣壓等氣象要素的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，具有使用方便、成本低廉等特點(diǎn)。通過改進(jìn)完善，系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站的校準(zhǔn)中。