基于TinyOS2．x的溫濕度傳感器的底層驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用

摘要：簡(jiǎn)要介紹了TinyOS操作系統(tǒng)基本架構(gòu)和ncsC語言組件編程方法，并剖析了SHTxx溫濕度傳感器的物理特性、溫濕度計(jì)算原理、硬件電路設(shè)計(jì)；詳細(xì)介紹了在TinyOS2．x操作系統(tǒng)下，SHTxx型溫濕度傳感器底層組件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過程，并在集成有CC2530的硬件平臺(tái)上驗(yàn)證了此驅(qū)動(dòng)的可行性以及溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)方法。
關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；底層驅(qū)動(dòng)；溫濕度；采集；系統(tǒng)方法

引言
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)等式概括：傳感器+片上系統(tǒng)+無線通信=寬廣應(yīng)用。傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他信息形式傳輸至無線傳感網(wǎng)絡(luò)，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。本文研究了在TinyOS2．x操作系統(tǒng)上，SHTxx型溫濕度傳感器底層驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究，并且通過硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了應(yīng)用的可行性。

1 TinyOS系統(tǒng)與nesC語言
1．1 TinyOS系統(tǒng)
    TinyOS是美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一種基于事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，其目標(biāo)是用最少的硬件支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的并發(fā)密集型操作。Tin yOS操作系統(tǒng)把底層硬件封裝成組件架構(gòu)，通過組件的層遞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用層提供與硬件無關(guān)的接口，它的這種分層架構(gòu)易于操作系統(tǒng)的移植。
    TinyOS構(gòu)建成一種自下而上的樹狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。最底層的組件直接與硬件交互，同時(shí)向上層報(bào)告事件的發(fā)生，上層組件收到信號(hào)向下發(fā)送指令。TinyOS是專為低功耗微控制器設(shè)計(jì)的一種微型操作系統(tǒng)。此外，它還有非常環(huán)保的省電制度和機(jī)制。

1．2 nesC語言
    nesC(network embeded system C)語言由C語言擴(kuò)展而來，用來描述TinyOS的執(zhí)行模型和結(jié)構(gòu)；nesC語言是TinyOS的編程語言，也是Tiny OS應(yīng)用程序的開發(fā)工具。nesC程序主要由配置組件、模塊組件和編譯文件組成，如圖2所示。

1．3 組件與程序
    TinyOS組件分為配置和模塊兩種組件。一般來說，上層組件可以調(diào)用底層組件的命令，下層組件通過觸發(fā)信號(hào)的方式通知上層組件及其事件的發(fā)生，最底層的組件直接和硬件交互，從而自上到下形成一種樹狀結(jié)構(gòu)。接口的提供者必須實(shí)現(xiàn)接口中的命令函數(shù)，而接口的使用者必須實(shí)現(xiàn)接口的事件函數(shù)，如圖3所示。一個(gè)組件可以使用或提供多個(gè)接口，以及實(shí)現(xiàn)同一個(gè)接口的多個(gè)命令。

    模塊提供應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)接口；配置則是通過配線將其他組件裝配起來的組件，將各個(gè)組件所使用的接口與其他組件提供的接口連接在一起。

2 SHTxx溫濕度傳感器介紹
    SHTxx系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。SHTxx傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。
2．1 SHTxx溫濕度傳感器的硬件接口
    SHTxx的串行接口與I2C總線相似，但與I2C總線接口并不兼容，圖4為SHTxx溫濕度傳感器的硬件接口電路圖。SCK用于微處理器與SHTxx之間的時(shí)鐘同步通信。由于SHTxx內(nèi)部接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因此不存在最小SCK頻率。DATA為三態(tài)邏輯門，主要用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻(例如10 kΩ)將信號(hào)提拉至高電平。

2．2 SHTxx溫濕度傳感器的工作時(shí)序
    SHTxx溫濕度傳感器用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。?dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。
    SHTxx溫濕度傳感器通信命令中高3位表示地址位(目前只支持“000”)、低5位表示命令位(如表1所列)。SHTxx溫濕度傳感器在第8個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，將DATA下拉為低電平(ACK位)；在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，釋放DATA(恢復(fù)高電平)表示已正確地接收到指令。

    SHTxx溫濕度傳感器的測(cè)量輸出包括溫度濕兩種測(cè)量值，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使用式(1)修正SHTxx濕度輸出數(shù)值，對(duì)于高于99％RH的濕度測(cè)量值則表示空氣已經(jīng)完全飽和，必須處理為100％RH。

    濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)具體取值如表2所列，其中C1、C2和C3為修正系數(shù)，SORH為相對(duì)濕度測(cè)量值。
   
    SHTxx的溫度傳感器是由能隙材料PTAT(正比于絕對(duì)溫度)組成，該材料具有極好的線性度?？蓪?shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度值：
    T=d1+d2×SOT        (2)
    其中，d1、d2為溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)；SOT為溫度數(shù)字輸出。具體取值可參考表3、表4。

2．3 SHTxx溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    圖5為溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的電路圖，其中SHTxx的DATA和SCK引腳分別與CC2530的P0．1和P1．7腳相連，供電電壓為3．3 V。

3 SHTxx的TinyOS底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3．1 SHTxx溫濕度傳感器底層接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    由SHTxx溫濕度傳感器測(cè)量時(shí)序可知，SHTxx溫濕度傳感器測(cè)量時(shí)序包括啟動(dòng)傳輸、發(fā)送命令、2字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸以及CRC校驗(yàn)傳輸?shù)葧r(shí)序部分。SHTxx溫濕度傳感器的TinyOS驅(qū)動(dòng)代碼包括SHT接口的定義SHT．nc、SHT配置組件SHTC．nc和模塊組件SHTP．nc三部分。
    (1)SHT溫濕度傳感器接口定義
    在SHT溫濕度傳感器接口中，定義了read命令函數(shù)和ReadDone事件函數(shù)。read命令函數(shù)負(fù)責(zé)啟動(dòng)SHTxx溫濕度傳感器的測(cè)量過程，ReadDo ne事件函數(shù)則是當(dāng)SHTxx溫濕度傳感器測(cè)量完成后觸發(fā)該事件。具體代碼如下：
   
    (2)SHT溫濕度傳感器配置組件
    在SHT溫濕度傳感器配置組件中，利用MainC組件的初始化命令完成對(duì)SHT溫濕度傳感器的初始化操作。HplCC2530GenerallOC組件對(duì)SHT溫濕度傳感器端口進(jìn)行配置，定時(shí)器組件定義兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，部分代碼如下：
   
    (3)SHT溫濕度傳感器模塊組件
    SHT溫濕度傳感器模塊組件完成SHT溫濕度傳感器數(shù)據(jù)讀取的底層驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)SHT溫濕度傳感器的時(shí)序模擬以及實(shí)現(xiàn)SHT接口函數(shù)。在數(shù)據(jù)讀取完成后，觸發(fā)ReadDone事件函數(shù)，下面主要介紹SHT溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)模塊中的幾個(gè)與時(shí)序相關(guān)的函數(shù)。
    復(fù)位時(shí)序模擬函數(shù)如下：
   
    數(shù)據(jù)讀取時(shí)序模擬函數(shù)如下：
    recvByte(uint8_t ack)函數(shù)模擬讀取數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)序。微處理器在讀取SHTxx溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)，有兩種不同的應(yīng)答信號(hào)。在讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，由微處理器將DATA線拉為低電平作為應(yīng)答信號(hào)；而在讀取CRC數(shù)據(jù)時(shí)，需要將DATA線拉為高電平應(yīng)答信號(hào)，所以在recvByte(uint8 _t ack)函數(shù)中，ack作為兩種應(yīng)答信息參數(shù)進(jìn)行傳遞。該函數(shù)返回讀取的數(shù)據(jù)。
   
    SHTxx溫濕度傳感器寫數(shù)據(jù)主要為寫命令字和SHTxx溫濕度傳感器的狀態(tài)寄存器，在寫命令字完成后，SHTxx溫濕度傳感器將控制DATA數(shù)據(jù)線，并將數(shù)據(jù)線上拉為高電平作為應(yīng)答信號(hào)。寫數(shù)據(jù)時(shí)序模擬函數(shù)略——編者注。
3．2 SHTxx溫濕度傳感器TinyOS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    SHTxx溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)測(cè)試程序通過SHTxx溫濕度底層驅(qū)動(dòng)將采集SHTxx的溫濕度值，顯示在開發(fā)平臺(tái)中的LCD屏上，程序文件包括模塊組件TestSHTM．nc、配置組件TestSHTC．nc以及編譯文件makefile。
    TestSHTC．nc的配置文件部分代碼略——編者注。SHTxx溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)測(cè)試程序的組件關(guān)聯(lián)圖略——編者注。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論
    通過Cygwin平臺(tái)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編譯和鏈接，生成hex文件，下載程序到目標(biāo)硬件平臺(tái)運(yùn)行。LCD顯示溫濕度采集結(jié)果，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能完成預(yù)期的數(shù)據(jù)采集功能。根據(jù)SHTxx溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法完成其他傳感器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。當(dāng)然也可以利用該驅(qū)動(dòng)程序，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍環(huán)境的溫濕度參數(shù)。