基于无线传感器网络的手持式校准器

摘  要： 设计了基于无线传感网络自动气象站的手持式校准器，主要包括ZigBee协议栈处理器为核心的无线传输功能模块、单片计算机、液晶显示模块、NANDFlash存储器、时钟电路等。详细介绍了手持式校准器的软硬件设计方法，实现了对无线传感网络自动气象站的被校准传感器所发送数据的无线接收、显示和存储，通过与标准器读数比对并发送校准命令来校准现场传感器的零点及满量程，同时发送打印数据给无线打印机，实现校准结果的无线打印。
关键词： ZigBee；CC2530；串行接口；校准；无线打印
       随着传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的高速发展，孕育出了无线传感器网络（Wireless Sensor Networks），并以其低距离近、低成本、低功耗、自组织和分布式的特点，带来了信息感知的一场革命[1]。其中ZigBee以其保密性好、功耗低、网络容量大的特点，在自动气象数据采集中得到应用。
     随着时间的推移，自动气象站的各个气象传感器的测量准确度会产生漂移，必须定期进行校准，以确保测量数据的准确、可靠。传统的校准装置采用有线形式，为实现自动读数及校准需要与各个传感器和标准器进行连接，给现场校准带了不少麻烦。因此，设计了基于无线传感器网络的手持式校准器，以无线方式接收无线传感网络自动气象站各个传感器发送的气象数据，通过与标准器的比对并发送校准命令来校准传感器的零点及满量程，避免了校准装置和自动气象站之间的连线。校准完成时发送打印数据给无线打印机，实现校准结果的无线打印。
1 手持式校准器设计与实现原理
     本设计利用ZigBee协议栈处理器为核心的无线传输功能模块、单片计算机、液晶显示模块、NANDFlash存储器、时钟电路等，主要实现对所要校准的气象传感器数据与校准器数据的无线接收、显示和存储，并通过对传感器数据与标准器数据的比对来发送校准命令给校准的气象传感器。
     手持式校准器工作流程图如图1所示。当对无线传感网络自动气象站的传感器进行校准时，手持式校准器作为路由器加入自动气象站所在的网络中，发送包含所要校准气象传感器信息的校准开始命令给协调器，协调器接收到校准开始命令后会转发该气象传感器数据和校准器数据给手持式校准器，由手持式校准器进行数据的显示、存储和处理。当校准完成时，通过点击手持式校准器屏幕的“发送”，将校准命令发送给协调器，由协调器转发给所校准的气象传感器，从而实现该传感器的零点及满量程校准。通过点击手持式校准器屏幕的“打印”，手持式校准器发送打印数据给无线打印机，实现校准结果的无线打印。
   
   
2 硬件电路设计
2.1 CC2530与单片机的连接
     手持式校准器的ZigBee协议栈处理器选用以CC2530为核心的无线传输功能模块，单片计算机选用STC89C-516RD+。CC2530是TI公司以C51为内核的ZigBee芯片，它支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE标准，提供101 dB的链路质量，具有高接收灵敏度和强抗干扰性，同时具有低功耗、低成本、时延短、高容量、高安全等特点[2]。尽管CC2530自身内嵌了高性能的C51处理器，但由于其资源有限，不能同时胜任彩色液晶显示、键盘、大容量存储器等连接的需要，因此采用了单片机STC89C516RD+来实现这些功能，成为双处理器结构。
     CC2530与单片机之间采用串口通信，波特率设置为57 600 b/s，因此单片机和CC2530的串行接口都通过编程使串行接口工作在同样的波特率[3]。CC2530与单片机的连接电路如图2所示，CC2530的串行数据发送端(P0_3)与单片机的串行数据接收端(RXD)直接相连，CC2530的串行数据接收端(P0_2)与单片机的串行数据发送端(TXD)直接相连。CC2530的设备类型被设置为路由器，主要负责数据的转发。单片机是手持式校准器的核心部分，主要负责发送校准开始命令，以及对CC2530通过串口发送来的数据的处理、存储和显示，发送打印数据，同时控制其他电路的稳定运行。
   
   2.2 单片机外围电路设计
     手持式校准器需要发送各种命令和打印数据，还需存储和显示所接收的数据、时间和日期等。为实现手持式校准器的便携性，手持式校准器采用3.7 V高性能锂电池供电。由于手持式校准器各个电路采用3.3 V供电，所以要把3.7 V降到3.3 V，这里选择PAM3101DAB330，其压差为0.18 V，即使锂电池的电压降到3.5 V，PAM3101-DAB330输出电压仍能稳定在3.3 V。目前触摸屏功能在手机和电脑上得到广泛应用。为了增加界面的可视性，同时避免外接按键电路引起的校准器体积变大，这里采用了支持触摸屏功能的彩色液晶显示模块。由于显示模块具有16 bit数据总线，通过外加74HC373将单片机发送的高8 bit数据锁存，然后和低8 bit数据一起发送给显示模块，解决了数据总线的扩展问题[4]。存储电路采用三星的K9F1G08U0A，其1 Gbit的存储空间完全能够保存1天内接收到的所有气象数据。校准器采用时钟芯片DS1302产生时间和日期[5]，单片机外围电路如图3所示。
   
   3 软件设计