李白華 秦 潔

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院信息與計(jì)算機(jī)系 安徽 合肥 230000)

0.引言

氣流式水平姿態(tài)傳感器的敏感元件是空氣擺，這樣氣流式水平姿態(tài)傳感器可以負(fù)擔(dān)高負(fù)載，反應(yīng)時(shí)間短，溫度特性良好，體積小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于量產(chǎn)及精細(xì)測(cè)控環(huán)境中。它可以測(cè)定角度，也可以測(cè)定角速度。 熱敏電阻是水平姿態(tài)傳感器的密切相關(guān)部分，環(huán)境溫度變化時(shí)，熱敏電阻的輸出電壓就不在完全是敏感元件的輸出電壓，測(cè)量精度也會(huì)降低。 為了提升姿態(tài)傳感器的實(shí)用性，需要減少環(huán)境溫度對(duì)測(cè)算精度的不良影響，這就必須對(duì)測(cè)量器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文選用Z-Stack 協(xié)議，使用溫度傳感器、姿態(tài)傳感器和CC2530 組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 此時(shí)DS18B20 作為溫度傳感器，同步測(cè)量器件周?chē)鷾囟鹊臄?shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）環(huán)境溫度的變化可以及時(shí)感知。 （2）耗電少。 在溫度補(bǔ)償完成后，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到環(huán)境溫度變化引起的靈敏度變化基本為0。

1.氣流式水平姿態(tài)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1 顯示了氣流式水平姿態(tài)傳感器[1]的構(gòu)造構(gòu)成。 敏感元件由兩個(gè)熱敏電阻r1, r2組成，r1, r2是對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)電阻，阻值相等。 姿態(tài)傳感器發(fā)生傾斜時(shí)，空氣擺發(fā)生傾斜，熱敏電阻在空氣擺中的位置發(fā)生變化，阻值發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換電橋輸出相應(yīng)的電壓變化。當(dāng)傾斜角度值很小時(shí)，可以近似認(rèn)為θ=sinθ，輸出的結(jié)果也是近似與輸入角度近似成線性的關(guān)系；隨著傾斜角度加大，輸出信號(hào)與角度之間的線性關(guān)系發(fā)生變化，系統(tǒng)測(cè)量的誤差提高，非線性度數(shù)值提高。在這種情況下需要對(duì)輸出信號(hào)引入線性度補(bǔ)償。 總的補(bǔ)償公式（1）如下：

Vin 是電橋電路輸出的電壓值,V0是須要實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)碾妷褐?KT是要補(bǔ)償?shù)撵`敏度系數(shù),LV是一個(gè)系數(shù),用于代表需要補(bǔ)償?shù)木€性度大小。

圖1 姿態(tài)傳感器構(gòu)造

2.ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)介

2.1 ZigBee協(xié)議棧

在短距離無(wú)線通信技術(shù)中，Zigbee 稱(chēng)為一個(gè)良好的選擇， 低功耗的特性滿(mǎn)足傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的需求，小型自組建網(wǎng)絡(luò)能量消耗設(shè)計(jì)很重要。 在ZigBee 的協(xié)議棧里界定了四個(gè)層，這四個(gè)層自下到上分別是：物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了 Zigbee 協(xié)議的底層和底層上面一層的數(shù)據(jù)封裝。Zigbee 聯(lián)盟標(biāo)定其它兩個(gè)層的數(shù)據(jù)打包標(biāo)準(zhǔn)。

物理層[2]：負(fù)責(zé)管理工作波段的分配，信道的選擇以及為MAC 層提供兩種類(lèi)型的服務(wù)，并與上層通信。 MAC 層：管理無(wú)線信道的如何使用。網(wǎng)絡(luò)層：提供保障，保障鏈路層能準(zhǔn)確建立起由下向上的數(shù)據(jù)傳遞鏈路，并為它的上層提出一些接口，保障數(shù)據(jù)能上傳到協(xié)議頂端。應(yīng)用層：主要為管理者服務(wù)，向下接受數(shù)據(jù)，為使用者的管理界面提供常用的組件，接受底層的數(shù)據(jù)。

2.2 設(shè)備類(lèi)型

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中為了管理系統(tǒng)的設(shè)備，對(duì)設(shè)備依據(jù)各自的功能進(jìn)行分類(lèi)。在這里面協(xié)調(diào)器只能有一個(gè)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備和路由設(shè)備可以是多個(gè)。 這三種類(lèi)型的設(shè)備各有不同的功能，協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的管理者，配置網(wǎng)絡(luò)的各種屬性數(shù)據(jù)，路由設(shè)備執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的任務(wù)。 終端設(shè)備初始化時(shí)為參數(shù)配置數(shù)值，然后可選擇適當(dāng)?shù)膫€(gè)域網(wǎng)加入。 本文的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中，姿態(tài)傳感器和溫度傳感器相當(dāng)于終端設(shè)備，分別采集姿態(tài)信號(hào)和溫度信號(hào)，CC2530 微控制器模塊建立個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，管理其他設(shè)備。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字型溫度傳感器DSl8B20 負(fù)責(zé)測(cè)量環(huán)境溫度， 其外接元件少，耗電少，契合Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中低功耗的要求，非常適用于充任WSN[3]的終端設(shè)備。 硬件連接里面，溫度傳感器的數(shù)據(jù)Data 輸出端口與CC2530的P0.0 口連接，占用 GPIO 的資源。

CC2530 是 SOC 芯片,是 TI 生產(chǎn)的 CC253X 系列的一款芯片,通訊協(xié)議符合 IEEE802.15.4,是建立 Zigbee 通訊時(shí)非常優(yōu)秀的解決方法。 內(nèi)部是8051 內(nèi)核,具有無(wú)線發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的功效,可用于近距離無(wú)線通訊[4]。 此外,CC2530 功耗低,睡眠電流小。 CC2530 芯片有許多外部設(shè)備,功能各不一樣,對(duì)開(kāi)發(fā)者非常友好,方便進(jìn)行新的系統(tǒng)功能拓展。

在姿態(tài)傳感器構(gòu)造圖中，敏感電阻r1,r2組成的敏感元件在感應(yīng)敏感信號(hào)，如加速度信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)候，對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)與加速度信號(hào)變化成正比的電壓信號(hào)V0， 電壓信號(hào)會(huì)進(jìn)行一個(gè)基本的信號(hào)處理，在起始階段開(kāi)始消除噪聲的影響。 處理過(guò)后的信號(hào)送往CC2530 的P0口，占用P0 口的GPIO 資源。

圖2 軟件補(bǔ)償流程

在軟件程序的設(shè)計(jì)中， 使用的CC2530 的關(guān)鍵資源是GPIO 口中斷。CC2530 有18 個(gè)中斷源，軟件設(shè)計(jì)中的中斷一共有兩次中斷產(chǎn)生，采集環(huán)境溫度的時(shí)候產(chǎn)生一次中斷， 采集完成X、Y 軸電壓信號(hào)值的時(shí)候產(chǎn)生第二次中斷。 軟件設(shè)計(jì)中的兩次中斷發(fā)生的時(shí)候，需要設(shè)置相應(yīng)的中斷控制器， 并針對(duì)中斷的信號(hào)來(lái)源設(shè)計(jì)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 當(dāng)相應(yīng)的中斷信號(hào)位置位成高電平的時(shí)候，進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行程序。

在CC2530 的使用中，I/O 口資源是最常用的。 單片機(jī)初始化的設(shè)置中，也需要完成與I/O 相關(guān)的寄存器設(shè)置。 寄存器的設(shè)置包括I/O 口功能選擇、方向設(shè)置等工作。 為了建立硬件設(shè)計(jì)與軟件程序之間的映射關(guān)系，需要在程序中對(duì) P0.1 和 P0.2 口進(jìn)行重定義。

補(bǔ)償?shù)乃惴ㄖ饕囟妊a(bǔ)償和線性度補(bǔ)償，上圖2 顯示出了整個(gè)補(bǔ)償?shù)牧鞒獭?軟件工作環(huán)境選擇Keil。

（1）首先是單片機(jī)的初始化設(shè)置，這里要設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)器T0，P0 口初始化，開(kāi)啟總中斷等初始化工作。

（2）姿態(tài)傳感器輸出的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，溫度傳感器輸出的信號(hào)也是模擬信號(hào)， 需要在運(yùn)行相應(yīng)的補(bǔ)償算法前啟動(dòng)ADC 轉(zhuǎn)換。ADC 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)中主要完成ADC 轉(zhuǎn)換器的初始化， 轉(zhuǎn)換信道的選擇等工作。 CC2530 內(nèi)部自帶高精度的8 位ADC 轉(zhuǎn)換器，保證信號(hào)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度。

（3）采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。 實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度是程序的中斷1，也是補(bǔ)償程序關(guān)鍵的一步。 溫度傳感器模塊作為終端節(jié)點(diǎn)，將采集的溫度值按照Z(yǔ)igbee 協(xié)議打包后，使用電磁波通信的方式發(fā)送溫度數(shù)據(jù)值給系統(tǒng)中的微控制器CC2530，姿態(tài)傳感器輸出與之對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值，以此建立溫度值與電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系表格是實(shí)際環(huán)境的溫度-電壓對(duì)應(yīng)表格，依據(jù)測(cè)量得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合法建立各個(gè)溫度點(diǎn)和電壓值的表格， 并保存在中斷1 服務(wù)子程序中，供后續(xù)的中斷查詢(xún)使用。 其中擬合方法的選擇對(duì)表格的精確度有重要作用，本文選用拉格朗日原理建立溫度與電壓間的數(shù)據(jù)曲線。

（4）測(cè)量溫度為0°C 時(shí)姿態(tài)傳感器的輸出電壓，定義為零位電壓。測(cè)量溫度為VT,產(chǎn)生中斷1，調(diào)用中斷1 服務(wù)子程序，查詢(xún)已經(jīng)建立的溫度-電壓表格，依據(jù)表格計(jì)算輸出溫度補(bǔ)償過(guò)后的電壓值。然后采集X 軸、Y 軸的輸入角度，創(chuàng)立起輸入角度與輸出電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，產(chǎn)生中斷2.中斷2 是線性度補(bǔ)償子程序，主要完成線性度的補(bǔ)償，提高系統(tǒng)測(cè)量的線性度。 在中斷1 和中斷2 調(diào)用完成后，用表達(dá)式1 算出經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電壓值。

本文中設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)與PC 機(jī)之間通信時(shí)需要使用相應(yīng)的JLINK 仿真器，保證程序沒(méi)有錯(cuò)誤后可以在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行。

4.結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償后，姿態(tài)傳感器輸出電壓與輸入傾角之間的線性關(guān)系得到改善，非線性小于0.9%；因?yàn)榄h(huán)境溫度引起的測(cè)量誤差降低，提升了系統(tǒng)的精確度，氣流式水平姿態(tài)傳感器傳感器與單片機(jī)的結(jié)合也提高了傳感器的適用范圍。Zigbee 協(xié)議的引入也為傳感器數(shù)據(jù)的傳輸提供了新的通道，極大降低系統(tǒng)的功耗。