本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)與3G遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)光系統(tǒng)；該系統(tǒng)處理器選用的是三星S5PV210處理器，短距離無(wú)線通信模塊采用TI公司的CC2530芯片，3G上網(wǎng)卡設(shè)備用的是中興MF190無(wú)線上網(wǎng)模塊。文中給出了系統(tǒng)具體的軟硬件設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以達(dá)到穩(wěn)定高效的監(jiān)測(cè)效果，具有良好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　ZigBee技術(shù)是一種低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠和網(wǎng)絡(luò)容量大的無(wú)線通信技術(shù)。根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的工作頻段分為868MHz、915MHz和2.4GHz3個(gè)頻段，其中2.4GHz頻段上分為16個(gè)信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無(wú)線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s，功耗發(fā)射輸出僅為0~3.6dBm，綜合考慮選擇使用2.4GHz頻段。

　　系統(tǒng)主要由三部分組成：光照度終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)控中心。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)帶有光照強(qiáng)度傳感器的終端采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。終端采集節(jié)點(diǎn)BH1750數(shù)字光照度傳感器采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過(guò)CC2530射頻收發(fā)模塊以無(wú)線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)CC2530射頻收發(fā)模塊，主節(jié)點(diǎn)CC2530射頻收發(fā)模塊再與主控制器S5PV210進(jìn)行通信，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測(cè)中心。

　　2.1協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是建立、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入以及數(shù)據(jù)的匯總、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，它是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制中心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。無(wú)線射頻收發(fā)芯片CC2530完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)；3G上網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸；主控芯片S5PV210負(fù)責(zé)整個(gè)主節(jié)點(diǎn)模塊的協(xié)調(diào)與控制。

　　圖2局域網(wǎng)控制主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

　　CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和其他強(qiáng)大的功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，可進(jìn)一步確保低能源消耗。

　　2.2終端采集分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)，其硬件電路原理圖如圖3所示。數(shù)字光照度傳感器BH1750負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集；無(wú)線射頻收發(fā)芯片CC2530負(fù)責(zé)與局域網(wǎng)控制中心無(wú)線通信，采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到局域網(wǎng)控制中心。

　　圖3局域網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)電路原理圖

　　BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化，探測(cè)范圍可以從1～65535lx，支持I2C總線接口(f/sModeSupport)，具有接近視覺(jué)靈敏度的光譜靈敏度特性(峰值靈敏度波長(zhǎng)典型值為560nm)[6]；輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字值；通過(guò)降低功率功能,實(shí)現(xiàn)低電流；通過(guò)50Hz/60Hz除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定；支持1.8V邏輯輸入接口；無(wú)需其他外部件；光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)簟坠釲ED、日光燈）；有兩種可選的I2C總線slave地址；可調(diào)的測(cè)量結(jié)果影響較大的因素為光入口大小；最小誤差變動(dòng)在±20%；受紅外線影響很小。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括終端節(jié)點(diǎn)采集程序、ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸程序、3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳送程序和上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測(cè)程序的軟件設(shè)計(jì)。

　　3.1終端節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)

　　BH1750與主控器之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線通信協(xié)議。I2C總線是一種由NXP公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備[7]。主控器通過(guò)I2C總線接口向BH1750發(fā)送各種控制命令以及讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。主要控制命令如下:上電指令為0x01；斷電指令為0x00；連續(xù)H分辨率模式為0x10；連續(xù)L分辨率模式為0x13；一次H分辨率模式為0x20；一次L分辨率模式為0x23。

　　以"連續(xù)高分辨率模式"為例，測(cè)量步驟如下：

　　①發(fā)送"上電"指令。

　　②發(fā)送"連續(xù)高分辨率模式"指令。

　　③等待完成第一次高分辨率模式的測(cè)量（最大時(shí)間為180ms）。

　　④發(fā)送讀指令。

　　⑤讀測(cè)量結(jié)果。

　　3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳送程序設(shè)計(jì)

　　ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，ZDO層首次進(jìn)行一系列的初始化工作，然后調(diào)用ZDO層的初始化設(shè)備函數(shù)，最終觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)，開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先逐個(gè)對(duì)各個(gè)信道進(jìn)行掃描，根據(jù)各個(gè)信道的能量值進(jìn)行排序，選擇能量值達(dá)到一定大小的信道為可用信道。其次，由網(wǎng)絡(luò)層在可用信道中選定信道，并隨機(jī)選擇一個(gè)在所選信道中唯一的16位網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(PANID)分配給這個(gè)新建的網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

　　終端采集節(jié)點(diǎn)上電以后進(jìn)行設(shè)備初始化，然后檢測(cè)周圍是否有網(wǎng)絡(luò)存在，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDA層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)反饋信息，然后由網(wǎng)絡(luò)層向能量強(qiáng)度相對(duì)較大的網(wǎng)絡(luò)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求；加入網(wǎng)絡(luò)成功，則網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDA層加入網(wǎng)絡(luò)反饋。成功加入網(wǎng)絡(luò)之后開(kāi)始向協(xié)調(diào)器發(fā)出綁定請(qǐng)求，綁定成功后開(kāi)始對(duì)光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并無(wú)線發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器終端采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。

　　3.33G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳送部分設(shè)計(jì)

　　3.3.1usb_modeswitch的移植

　　usb_modeswitch是一種在Linux系統(tǒng)下對(duì)USB設(shè)備的工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的工具，用于控制含有多個(gè)USB子設(shè)備的USB設(shè)備。在Linux環(huán)境下，廠家一般不會(huì)提供USB設(shè)備在Linux系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng),所以需要用usb_modeswitch工具來(lái)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。設(shè)備模式依賴usbstorage和usbserial，所以在開(kāi)發(fā)板上需要有這兩種模塊的支持，設(shè)備小能夠正常工作于這兩種模式下。

　　usb_modeswitch依賴于libusb提供的一系列庫(kù)文件，首先需要安裝libusb。解壓并進(jìn)入libusb1.0.6目錄，使用如下命令建立子目錄install，用于存放最后生存的庫(kù)文件與頭文件。usb_modeswitch移植過(guò)程略--編者注。

　　3.3.2PPPD的移植

　　Linux在內(nèi)核中已經(jīng)支持3G模塊驅(qū)動(dòng)和PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，需要做的工作是在內(nèi)核中配置3G模塊驅(qū)動(dòng)和PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的相關(guān)選項(xiàng)。PPPD的移植過(guò)程略--編者注。

　　在開(kāi)發(fā)板文件系統(tǒng)/etc/ppp/peers目錄下邊創(chuàng)建三個(gè)文件,代碼略--編者注。

　　3.3.3主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

　　通過(guò)PPPD的撥號(hào)，可以建立數(shù)據(jù)鏈路層的連接，數(shù)據(jù)鏈路層采用PPP協(xié)議，它是一種面向字符的協(xié)議，是為在兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù)包連接而設(shè)計(jì)的，使用可擴(kuò)展的鏈路控制協(xié)議LCP來(lái)建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路。網(wǎng)絡(luò)程序還需要TCP/IP協(xié)議的支持，Linux內(nèi)核已經(jīng)保留了對(duì)TCP/IP以及其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持。最后編寫嵌入式Linux上的網(wǎng)絡(luò)客戶端應(yīng)用程序和Windows網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端應(yīng)用程序,傳送想要傳送的數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)主控制器與上位機(jī)服務(wù)器通信的程序流程圖如圖6所示。

　　圖6主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信程序流程圖

　　3.4服務(wù)器上位機(jī)監(jiān)測(cè)部分

　　服務(wù)器上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)采用MicrosoftVisualC++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境,采用的是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，對(duì)于每一個(gè)窗口都建立了相應(yīng)的類，在類的基礎(chǔ)上創(chuàng)建對(duì)象，對(duì)對(duì)象的操作就是對(duì)其對(duì)應(yīng)的窗口的操作。監(jiān)控中心軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：建立服務(wù)器端并接收客戶端的連接；接收客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并顯示；實(shí)時(shí)曲線顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢。

　　在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,傳輸數(shù)據(jù)時(shí)上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)有個(gè)別是錯(cuò)誤的,通過(guò)查看二進(jìn)制代碼發(fā)現(xiàn)0x11、0x13字符沒(méi)有接收到。縮小范圍查看問(wèn)題出在哪個(gè)環(huán)節(jié)，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)控制器S5PV210沒(méi)有接收到0x11、0x13字符，而主節(jié)點(diǎn)CC2530單片機(jī)已經(jīng)接收到了0x11、0x13字符，那么問(wèn)題一定出現(xiàn)在串口上。

　　在Linux串口編程中都沒(méi)對(duì)c_iflag（termios成員變量）這個(gè)變量進(jìn)行有效的設(shè)置，這樣傳送ASCII碼時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，但傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)遇到0x0d、0x11和0x13卻會(huì)被丟掉。這幾個(gè)字符是特殊字符，被用作特殊控制了，只需要關(guān)掉ICRNL和IXON選項(xiàng)即可。

　　具體做法是在主控制器Linux串口初始化函數(shù)中添加以下語(yǔ)句：

　　options.c_iflag&=~(ICRNL|IXON|IXOFF);

　　options是之前定義的termios類型的結(jié)構(gòu)體。通過(guò)以上設(shè)置就可以屏蔽掉0x11、0x13字符的特殊功能，從而能正常傳送以上字符。

　　4.2系統(tǒng)功能測(cè)試

　　連接好硬件設(shè)備后，配置編譯內(nèi)核，將編譯好的內(nèi)核通過(guò)USB下載到開(kāi)發(fā)板上，然后重啟。再將編譯好的應(yīng)用程序通過(guò)串口終端下載到開(kāi)發(fā)板上。將3G上網(wǎng)卡插到USB接口上，使用如下命令建立3個(gè)TTY設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)，代碼略--編者注。

　　我們可以看到PING新浪的WEB服務(wù)器可以PING通，說(shuō)明已經(jīng)成功接入因特網(wǎng)了。然后將4個(gè)終端分節(jié)點(diǎn)放在不同的光照環(huán)境下，啟動(dòng)上位機(jī)軟件，建立服務(wù)器端，開(kāi)始等待接收主節(jié)點(diǎn)客戶端的連接請(qǐng)求和發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并且顯示。啟動(dòng)主節(jié)點(diǎn)客戶端程序來(lái)連接服務(wù)器，最后啟動(dòng)分節(jié)點(diǎn)的采集傳送程序。上位機(jī)接收到并顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖略--編者注。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文闡述了一種將低成本、低功耗的短距離無(wú)線ZigBee技術(shù)與遠(yuǎn)距離3G移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)光系統(tǒng)，并完成了對(duì)采集終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)編寫Windows平臺(tái)上位機(jī)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與分析。