基于ZigBee和S3C2440的手持式校準儀研制方案

ce="Verdana">摘 要：為保證自動氣象站各要素測量值準確性，需要定期進行校準。針對自動氣象站的現(xiàn)場校準需要設(shè)計了一種手持式校準儀。系統(tǒng)采用ARM 處理器及協(xié)調(diào)器進行硬件設(shè)計，使用WIN CE 5.0操作系統(tǒng)，選擇C#開發(fā)語言在VisualStudio 2005開發(fā)環(huán)境中完成軟件設(shè)計。校準儀利用ZigBee技術(shù)自動采集標準器及現(xiàn)場氣象儀器的讀數(shù)，并對氣象儀器進行校準。該設(shè)備的使用可提高工作效率，方便現(xiàn)場校準，具有較好的實用性。

　　0 引 言

　　自動氣象站由氣壓、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。自動氣象站存在長期穩(wěn)定性問題，需要對氣象傳感器進行定期的校準來確保觀測數(shù)據(jù)準確。

　　氣象觀測數(shù)據(jù)不能中斷，所以不能像普通計量儀器一樣拆下后送檢到檢定室。較好的方法是直接在觀測現(xiàn)場利用標準器進行比對后校準。因此設(shè)計了一種手持式校準儀，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來讀取自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)及標準器的示值，并進行校準。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)原理

　　本設(shè)計利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Windows CE操作系統(tǒng)，ARM 處理器開發(fā)了一種針對氣象要素傳感器校準的手持式校準儀。校準的時候，被測傳感器的數(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)傳送給手持式校準儀。校準儀進行誤差的計算，如果存在的誤差大于對應(yīng)要素預(yù)設(shè)的誤差，則會自動生成校準命令以及校準值發(fā)送給傳感器，直到消除誤差為止。整個系統(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

　　該校準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)核的硬件平臺模塊。

　　圖2 手持式校準儀硬件框圖

　　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。在硬件平臺上進行操作系統(tǒng)的移植以及數(shù)據(jù)校準的功能[2].

　　2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

　　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)點和ZigBee傳感器終端節(jié)點構(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[3].CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

　　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現(xiàn)信號的收發(fā)功能[4].

　　2.2 硬件平臺設(shè)計

　　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 的存儲空間，NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08ROA.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點采用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 的連接簡圖如圖3所示。硬件系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，體積小，運算速度快，并可安裝WindowsCE,Linux等操作系統(tǒng)[5].

　　圖3 系統(tǒng)連接簡圖

　　3 軟件設(shè)計

　　校準儀根據(jù)所需校準的氣象要素，進入相應(yīng)的校準界面，并自動接收處理數(shù)據(jù)，如果檢測誤差大于預(yù)設(shè)誤差時，在確認校準密碼后，自動生成校準命令并無線發(fā)送給對應(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、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，具有可靠性好、實時性高、內(nèi)核體積小及可伸縮性、強大的通信能力等特點，被廣泛用于嵌入式智能設(shè)備的開發(fā)[6].校準儀系統(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)器與手持式校準儀之間進行實時數(shù)據(jù)傳輸，另一部分是用戶界面軟件設(shè)計及功能實現(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)建定制嵌入式平臺而提供的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它提供了設(shè)計、創(chuàng)建、編譯、測試和調(diào)試功能，以及平臺開發(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

　　（1）對操作系統(tǒng)進行裁剪，配置各個組件及修改相關(guān)配置文件；（2）開發(fā)目標設(shè)備上的驅(qū)動程序，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）將目標文件下載到目標設(shè)備上調(diào)試；（4）定制操作系統(tǒng)內(nèi)核后，導(dǎo)出平臺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)用程序模板進行開發(fā)。

　　3.3 界面設(shè)計

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

　　3.4 校準功能設(shè)計

　　進入各個氣象要素校準頁面，首先進行節(jié)點和校準點的選擇，接著設(shè)置好串口號和波特率，打開串口進行數(shù)據(jù)的自動接收。在串口應(yīng)用程序中，發(fā)送區(qū)文本框為TxSend,接收區(qū)文本框名為Txrec,項目中添加一個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)標識符；第二個字節(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)四個字節(jié)是傳感器的數(shù)據(jù)，并緊跟兩位校驗位；最后一個字節(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)化為浮點數(shù)顯示在接收傳感器數(shù)據(jù)區(qū)中。如標識符為“D”,則表示傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，如為“S”,表示標準器發(fā)來的數(shù)據(jù)。將傳感器的數(shù)據(jù)與標準器的數(shù)據(jù)進行比對分析，如果誤差大于規(guī)定閾值，則將誤差數(shù)據(jù)通過校準命令發(fā)送給傳感器。溫度校準的運行界面如圖6所示，采用第二個串口的目的是確保在標準器沒有連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口時，直接利用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。利用5次連續(xù)溫度檢測的平均值進行校準，以確保校準精度[10].

　　圖6 溫度校準時的軟件實時運行界面

　　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)境中進行調(diào)試、目標設(shè)備、傳輸協(xié)議等相關(guān)的設(shè)置，再將VS 2005與硬件設(shè)備平臺進行連接握手，利用微軟提供的工具ActiveSync將程序部署到手持式校準儀中，并可在目標設(shè)備上實時運行。

　　為了將以上編譯的應(yīng)用程序固化到設(shè)備中，以便每次開機時都能自動運行，采用以下步驟進行處理：

　　（1）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。

　?。?）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的時候會把這兩個文件加入到內(nèi)核中，最后它們會存在于系統(tǒng)的Windows目錄中。

　　（4）打開Platform.dat,加入以下內(nèi)容：

　　Directory（“windows桌面”）：-File（“校準儀。lnk”,“windowsRegulation.lnk”）這將會在桌面上出現(xiàn)名稱為“校準儀”的快捷方式。

　　（5）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)中啟動后，就會在桌面上看到“校準儀”快捷方式了。

　　4 結(jié) 語

ce="Verdana">　　通過系統(tǒng)的電路設(shè)計及軟件編程，完成了手持式校準儀的設(shè)計，該手持式校準儀能夠在無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動氣象站現(xiàn)場方便地進行溫度、濕度、氣壓等氣象要素的實時校準，具有使用方便、成本低廉等特點。通過改進完善，系統(tǒng)可應(yīng)用于實際的物聯(lián)網(wǎng)自動氣象站的校準中。