趙 奎，朱倪瑤，邢陽陽

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.中國人民解放軍91439 部隊，遼寧 旅順 116041)

由于使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量布線、成本高，且在惡劣的環(huán)境中無法進(jìn)行布線的缺點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)院、家庭等領(lǐng)域。

德州儀器推出了一系列系統(tǒng)級芯片。其中CC2530 是一款兼容IEEE 802.15.4 的片上系統(tǒng)，集成了增強(qiáng)型8051 內(nèi)核，結(jié)合TI Z－STACK 協(xié)議?？煞奖愕亟M建自己的無線通信網(wǎng)絡(luò)［1－4］。系統(tǒng)通過構(gòu)建Zig-Bee 樹狀網(wǎng)絡(luò)測量同一時刻，同一地點(diǎn)，不同高度條件下的大氣壓參數(shù)，其系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

1 ZigBee 協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)及分析

ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu)是建立在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的［2］。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee 的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC);ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)［3］、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)規(guī)范。圖2 所示為ZigBee 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 ZigBee 協(xié)議棧模型

2 BMP085 結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計

CC2530 是一個片上系統(tǒng)解決方案。CC2530 芯片的RF 性能佳、閃存容量大、封裝尺寸小、協(xié)議支持也多樣。在該芯片基礎(chǔ)上設(shè)計的剖面大氣壓參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)，在室外的最高傳輸距離可達(dá)300 m。

BMP085 包含電阻式壓力傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器和控制單元。控制單元包括E2PROM 和I2C 接口。E2PROM存儲了176 位單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要用于溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

BMP085 數(shù)據(jù)傳輸采用I2C 總線技術(shù)，有4 種測量模式，分別為極低功耗模式、標(biāo)準(zhǔn)模式、高分辨率模式、超高分辨率模式。氣壓輸出字長為19 位，溫度輸出字長為15 位。

實驗中利用BMP085 氣壓傳感器通過I/O 口模擬I2C 總線協(xié)議進(jìn)行氣壓參數(shù)測量獲取，在利用I2C 總線與BMP085 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，首先由主機(jī)發(fā)送啟動信號(SCL 在高電平期間SDA 出現(xiàn)下降沿)來啟動I2C總線。接著向BMP085 發(fā)送命令，具體包括:

(1)發(fā)送尋址信號。在主機(jī)發(fā)送完啟動信號后即需要發(fā)送尋址信號。尋址信號的結(jié)構(gòu)是:設(shè)備地址(高7 位)+方向位(最低位)。方向位為0 則表明接下來主機(jī)對從器件進(jìn)行寫操作;方向位為1 則表明接下來主機(jī)對從器件進(jìn)行讀操作，尋址字節(jié)的定義如圖3 所示。發(fā)送命令時尋址信號為從器件地址+0，讀取數(shù)據(jù)時尋址信號為從器件地址+1。

圖3 尋址字節(jié)的定義

(2)發(fā)送寄存器地址。

(3)發(fā)送需寫入寄存器的值。從BMP085 讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取完畢后，主機(jī)發(fā)送停止信號(SCL 在高電平期間SDA 出現(xiàn)上升沿)來停止I2C 總線。具體包括:1)發(fā)送尋址信號(從器件地址+0)。2)發(fā)送寄存器地址。3)重新開始數(shù)據(jù)傳輸。4)發(fā)送尋址信號(從器件地址+1)。5)取測量值高低各8 位。

在模擬I2C 總線傳輸過程中需要注意以下幾點(diǎn)問題:(1)I2C 總線協(xié)議規(guī)定，總線上每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)之后，接收設(shè)備均需產(chǎn)生一個應(yīng)答信號(在SCL 信號為高電平期間SDA 拉低為低電平)以確認(rèn)收到數(shù)據(jù)。(2)數(shù)據(jù)傳輸要在主機(jī)向從器件發(fā)送尋址信號并得到從器件應(yīng)答之后，數(shù)據(jù)傳輸時每次一個字節(jié)，每次傳輸都應(yīng)在得到應(yīng)答信號后再進(jìn)行下一字節(jié)的傳輸。(3)當(dāng)主機(jī)為接收設(shè)備時，不應(yīng)答最后一個Byte，以向發(fā)送設(shè)備表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

氣壓參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)上BMP085 的工作流程如圖4所示。

圖4 BMP085 工作流程

終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)大氣壓采集流程為:終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)接收到來自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的采集指令后，將BMP085 傳感器定期采集的大氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理［9］，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。

軟件設(shè)計主要分為終端節(jié)點(diǎn)軟件、路由節(jié)點(diǎn)軟件及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計［4－5］。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，會按照編譯時給定的參數(shù)，選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號，建立ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)上電后，會進(jìn)行硬件電路初始化，然后搜索是否有ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)［10］，若有ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)時，終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)許加入并分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，等待采集的大氣壓數(shù)據(jù)命令，然后將接收的所有數(shù)據(jù)包通過串口通信發(fā)送到PC 機(jī)上，以便更容易地進(jìn)行氣壓數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲［11］。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5 所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)工作流程圖

3 實驗結(jié)果及分析

搭建好硬件環(huán)境后，在本系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)每隔1 min采集一次氣壓數(shù)據(jù)并通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而路由節(jié)點(diǎn)每隔1 min 采集到的氣壓數(shù)據(jù)直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過RS232 串口總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 機(jī)上，串口設(shè)置為COM1，波特率設(shè)置為115 200 bit·s－1。在實驗過程中每個模塊均采集了大量數(shù)據(jù)，同時用Vaisala 公司的WXT520 移動氣象儀來對比本系統(tǒng)測得的氣壓數(shù)據(jù)。其中同一地點(diǎn)某個節(jié)點(diǎn)和氣象儀從時間段10:00 ～10:19 每隔1 min測得的氣壓數(shù)據(jù)對比圖如圖6 所示。通過氣壓絕對誤差曲線圖7 可發(fā)現(xiàn)，氣壓傳感器BMP085 的測量值與移動氣象站測得的氣壓誤差在－0.1 ～+0.1 hPa 之間，符合實驗測量誤差值范圍。

圖6 氣壓對比曲線圖

圖7 氣壓絕對誤差曲線

從以上測試結(jié)果對比曲線可得出，系統(tǒng)大氣壓參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性較好;從絕對誤差曲線可看出，本系統(tǒng)大氣壓參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)的測量誤差范圍較小，系統(tǒng)的精度也達(dá)到了一定要求。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的剖面大氣壓測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及相關(guān)軟件流程，使用該系統(tǒng)進(jìn)行實地測量，并與移動氣象儀測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果證明該方案構(gòu)建合理，能夠同時測量多點(diǎn)氣壓參數(shù)，具有測量精度較高且功耗較低的優(yōu)點(diǎn)，可將其在便攜式氣象數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

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