基于ZigBee和S3C2440的手持式校準(zhǔn)儀研制方案

摘 要：為保證自動(dòng)氣象站各要素測(cè)量值準(zhǔn)確性，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。針對(duì)自動(dòng)氣象站的現(xiàn)場校準(zhǔn)需要設(shè)計(jì)了一種手持式校準(zhǔn)儀。系統(tǒng)采用ARM 處理器及協(xié)調(diào)器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，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(jì)。校準(zhǔn)儀利用ZigBee技術(shù)自動(dòng)采集標(biāo)準(zhǔn)器及現(xiàn)場氣象儀器的讀數(shù)，并對(duì)氣象儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。該設(shè)備的使用可提高工作效率，方便現(xiàn)場校準(zhǔn)，具有較好的實(shí)用性。

　　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)量儀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 的連接簡圖如圖3所示。硬件系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，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