張國(guó)棟，蘇媛媛，劉建東，王淑娟

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

基于Zigbee的航空相機(jī)保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張國(guó)棟，蘇媛媛，劉建東，王淑娟

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

航空相機(jī)在日常保養(yǎng)當(dāng)中，特別需要注意防霉、防銹等問(wèn)題，現(xiàn)行預(yù)防方法實(shí)時(shí)性差，可移動(dòng)性不強(qiáng)。為了解決這一矛盾，設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式的航空相機(jī)保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于ARM微處理器S3C2440為核心處理器，采用以ZigBee通信協(xié)議和多傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，對(duì)相機(jī)保養(yǎng)環(huán)境中的溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。

嵌入式；ARM；ZigBee；可移動(dòng)性

0 引言

航空相機(jī)是具有一定像幅尺寸能夠安裝在飛行器上對(duì)地面自動(dòng)地進(jìn)行連續(xù)攝影的照相機(jī)，是一臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的全自動(dòng)光學(xué)電子機(jī)械裝置，具有精密的光學(xué)系統(tǒng)和電動(dòng)結(jié)構(gòu)，所攝取的影像能滿足量測(cè)和判讀的要求[1]。而相機(jī)的光學(xué)器件在使用和儲(chǔ)存過(guò)程中，由于周圍環(huán)境和防護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)等原因，其光學(xué)器件表面（鏡片）會(huì)緩慢地生成霉和霧（圖1）。光學(xué)表面一旦生霉、生霧，就會(huì)使光線在玻璃表面發(fā)生散射，降低儀器的透光率和鑒別率，從而導(dǎo)致目標(biāo)成像模糊不清，甚至使儀器完全喪失其使用能力[2]。而霉菌的生長(zhǎng)與周圍環(huán)境的溫度、濕度有直接關(guān)系。因此，為了保證航空相機(jī)高精度的工作，對(duì)其保養(yǎng)環(huán)境提出了很高的要求。主要是保養(yǎng)環(huán)境必須保持干燥、低溫和低濕度。

現(xiàn)行部隊(duì)航空相機(jī)保養(yǎng)環(huán)境還是采用人工監(jiān)控方式，存在實(shí)時(shí)監(jiān)控能力、視情和應(yīng)急保障能力、隨行保障能力明顯不足等突出問(wèn)題。為了提高航空相機(jī)保養(yǎng)的效率，解決頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)所帶來(lái)的環(huán)境變化等問(wèn)題，特設(shè)計(jì)了一種基于ARM處理器和ZigBee無(wú)線通信協(xié)議為基礎(chǔ)的航空相機(jī)器材保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要功能是對(duì)保養(yǎng)環(huán)境的溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警，并且整個(gè)系統(tǒng)具有可便攜性和可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的可靠性、便攜性和擴(kuò)展性，采用DHT22數(shù)字型溫濕度傳感器來(lái)采集環(huán)境信息，采用CC2530芯片作為ZigBee通信射頻模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)，采用基于ARM核心的Samsung S3C2440作為核心處理器，對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，并連接LCD觸控屏作為顯示和交互部件。其中CC2530芯片負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)與管理。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，見圖2。

圖1 光學(xué)鏡片的霉菌腐蝕

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)模塊主要選用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接[5]。其單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，測(cè)溫-40～80℃，抗干擾能力較強(qiáng)、性價(jià)高等優(yōu)點(diǎn)能滿足本系統(tǒng)的需要。DHT22通過(guò)單線串行總線與CC2530相連，通過(guò)CC2530控制數(shù)據(jù)的采集，連線圖如圖3。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)的嵌入式處理器選擇S3C2440A作為主控核心芯片。S3C2440A是一款16/32位RISC微處理器，采用ARM920T的內(nèi)核，最高支持1GRAM，內(nèi)部集成了LCD、USB等控制器，該芯片集成性高，功耗低、性價(jià)比高[3]。該芯片可以方便的移植Linux2.6系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行，方便進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，以及顯示、輸出等的管理。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 DHT22連線圖

2.3 接收與組網(wǎng)模塊

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組成中，選用了ZigBee技術(shù)，它是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2.4 GHz和8688/928 MHz頻段。相比藍(lán)牙、紅外通

訊技術(shù)，ZigBee技術(shù)組網(wǎng)更加簡(jiǎn)單靈活、形式多樣，最大特色是具有帶路由的自組網(wǎng)功能，特別適合有多個(gè)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸量小且成本要求低的小型網(wǎng)絡(luò)[4]。本系統(tǒng)ZigBee通信射頻模塊選用CC2530，它是Chipcon公司推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，基于該公司的SmartR 03技術(shù)，性能穩(wěn)定功耗低。因此，特別適合本系統(tǒng)的對(duì)于可移動(dòng)性小型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，溫濕度傳感器DHT22與CC2530通過(guò)串行接口相連接，作為系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，即Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)為了保證監(jiān)測(cè)全面，精度準(zhǔn)確，可以根據(jù)環(huán)境大小動(dòng)態(tài)的設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，一個(gè)CC2530芯片與S3C2440通過(guò)串口相連，并作為整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)搭建成一個(gè)星型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這樣由終端節(jié)點(diǎn)采集并上傳環(huán)境的溫濕度信息，協(xié)調(diào)器將收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給S3C2440微處理器，由微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并驅(qū)動(dòng)LCD觸摸屏顯示。硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 顯示交互模塊

系統(tǒng)采用由S3C2440芯片驅(qū)動(dòng)帶有GUI源代碼的液晶觸屏顯示器為用戶顯示交互面板，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行用戶功能界面設(shè)計(jì)，交互功能實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（1）Zigbee組網(wǎng)軟件的設(shè)計(jì)。

（2）基于QT/E的用戶GUI程序設(shè)計(jì)。

3.1 Zigbee組網(wǎng)軟件的設(shè)計(jì)

Zigbee組網(wǎng)軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，有且只有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，即ZigBee的個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符和網(wǎng)絡(luò)工作的物理信道，并統(tǒng)籌短地址的分配。ZigBee路由器是一個(gè)全功能設(shè)備，類似于定義的協(xié)調(diào)器，在接入網(wǎng)路后，它能獲得一定的16位短地址空間。在其通信范圍內(nèi)，它能允許其他節(jié)點(diǎn)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，分配及收回短地址，路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)傳送采用主從節(jié)點(diǎn)方式，與計(jì)算機(jī)相連作為主節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)，其他節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))，從節(jié)點(diǎn)可以向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請(qǐng)求，所以Zigbee組網(wǎng)程序包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序和終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)兩部分。在本系統(tǒng)中，與S3C2440連接的CC2530做為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和路由器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程（圖5）。

協(xié)調(diào)器上電后，首先初始化硬件電路、寄存器、協(xié)議棧、操作系統(tǒng)等，然后執(zhí)行組網(wǎng)程序，最后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)的用戶任務(wù)執(zhí)行程序中。

Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)程序流程中，其初始化過(guò)程與協(xié)調(diào)器初始化過(guò)程相似，但其后做為終端節(jié)點(diǎn)，則首先自動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò)，并自動(dòng)加入，發(fā)出綁定請(qǐng)求，等協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)綁定成功之后，根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令，發(fā)送溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，其他時(shí)間則進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省能耗。

3.2 基于QT/E的用戶GUI程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化的顯示，并允許用戶進(jìn)行警戒溫度和濕度的設(shè)定，同時(shí)用顏色表示不同的環(huán)境適宜等級(jí)，并使用微處理器驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警。為此，系統(tǒng)選用了QT/Embedded作為開發(fā)框架。QT/ Embedded是一個(gè)跨平臺(tái)應(yīng)用程序和UI開發(fā)框架，支持豐富的圖形控件，提供美觀的界面開發(fā)，完全滿足人機(jī)交互產(chǎn)品的界面顯示需求[7]。

首先在開發(fā)主機(jī)上建立QT開發(fā)環(huán)境，安裝交叉編譯工具，編寫的應(yīng)用程序先在開發(fā)主機(jī)上調(diào)試運(yùn)行，然后通過(guò)使用QTCreator跨平臺(tái)的集成開發(fā)環(huán)境，生成針對(duì)特定硬件平臺(tái)的目標(biāo)代碼，最后移植到目標(biāo)板上。

用戶程序首先初始化S3C2440串口，連接CC2530芯片，定時(shí)發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令后接受各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)送回的數(shù)據(jù)，并對(duì)溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均處理，然后送到GUI界面圖形化顯示，并與系統(tǒng)預(yù)置警戒值對(duì)比，如果超過(guò)警戒值，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提醒值班員進(jìn)行查看并采取措施。

圖4 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接圖

4 結(jié)束語(yǔ)

將嵌入式系統(tǒng)和Zigbee技術(shù)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到航空相機(jī)保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了保養(yǎng)環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且系統(tǒng)具有良好可移動(dòng)性和可拓展性，極大方便了相機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)場(chǎng)等原因引起的保養(yǎng)環(huán)境改變之后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整套系統(tǒng)部署快捷，組網(wǎng)靈活，能滿足實(shí)際工作中的需要。在此基礎(chǔ)之上，還可以根據(jù)具體情況，拓展控制模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制一體化。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

［1］趙育良，許兆林.航空攝影原理［M］.海軍航空工程學(xué)院青島分院出版，2009.

［2］洪津，孫彥青.工程裝備光學(xué)儀器的防霉防霧研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012，（2）.

［3］Samsung.S3C2440A32-BIT CMOS Microcontroller User’s Manual［DB/OL］.www.samsung.com.

［4］任秀麗，于海斌.Zigbee無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（6）.

［5］DHT22說(shuō)明書［M］.廣州奧松電子有限公司.

［6］彭燕.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，（2）.

［7］Nokia.Qt Reference Documentation［DB/OL］.http://doc.qt.nokia.com/ 4.5/index.html.

〔編輯 王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.02.55