基于Zigbee的航空相机保养环境监测系统设计

2017-04-13张国栋苏媛媛刘建东王淑娟

设备管理与维修 2017年2期

关键词：温湿度芯片传感器

张国栋，苏媛媛，刘建东，王淑娟

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

基于Zigbee的航空相机保养环境监测系统设计

张国栋，苏媛媛，刘建东，王淑娟

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

航空相机在日常保养当中，特别需要注意防霉、防锈等问题，现行预防方法实时性差，可移动性不强。为了解决这一矛盾，设计了可移动式的航空相机保养环境监测与控制系统。本系统设计基于ARM微处理器S3C2440为核心处理器，采用以ZigBee通信协议和多传感器技术为基础的智能网络控制系统，对相机保养环境中的温度、湿度等指标进行精确监测。

嵌入式；ARM；ZigBee；可移动性

0 引言

航空相机是具有一定像幅尺寸能够安装在飞行器上对地面自动地进行连续摄影的照相机，是一台结构复杂的全自动光学电子机械装置，具有精密的光学系统和电动结构，所摄取的影像能满足量测和判读的要求[1]。而相机的光学器件在使用和储存过程中，由于周围环境和防护保养不及时等原因，其光学器件表面（镜片）会缓慢地生成霉和雾（图1）。光学表面一旦生霉、生雾，就会使光线在玻璃表面发生散射，降低仪器的透光率和鉴别率，从而导致目标成像模糊不清，甚至使仪器完全丧失其使用能力[2]。而霉菌的生长与周围环境的温度、湿度有直接关系。因此，为了保证航空相机高精度的工作，对其保养环境提出了很高的要求。主要是保养环境必须保持干燥、低温和低湿度。

现行部队航空相机保养环境还是采用人工监控方式，存在实时监控能力、视情和应急保障能力、随行保障能力明显不足等突出问题。为了提高航空相机保养的效率，解决频繁转场所带来的环境变化等问题，特设计了一种基于ARM处理器和ZigBee无线通信协议为基础的航空相机器材保养环境监测系统。主要功能是对保养环境的温度、湿度等指标进行监控和报警，并且整个系统具有可便携性和可扩展性。

1 系统总体设计

为了保证系统的可靠性、便携性和扩展性，采用DHT22数字型温湿度传感器来采集环境信息，采用CC2530芯片作为ZigBee通信射频模块来进行数据的无线收发，采用基于ARM核心的Samsung S3C2440作为核心处理器，对采集的信息进行处理，并连接LCD触控屏作为显示和交互部件。其中CC2530芯片负责整个无线网络的协调与管理。系统整体设计，见图2。

图1 光学镜片的霉菌腐蚀

2 系统硬件模块设计

2.1 监测模块监测模块主要选用DHT22数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有较高的可靠性与长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[5]。其单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，测温-40～80℃，抗干扰能力较强、性价高等优点能满足本系统的需要。DHT22通过单线串行总线与CC2530相连，通过CC2530控制数据的采集，连线图如图3。

2.2 数据处理模块

数据处理模块设计的嵌入式处理器选择S3C2440A作为主控核心芯片。S3C2440A是一款16/32位RISC微处理器，采用ARM920T的内核，最高支持1GRAM，内部集成了LCD、USB等控制器，该芯片集成性高，功耗低、性价比高[3]。该芯片可以方便的移植Linux2.6系统来运行，方便进行应用程序的设计，以及显示、输出等的管理。

图2 系统结构框图

图3 DHT22连线图

2.3 接收与组网模块

在无线网络的组成中，选用了ZigBee技术，它是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，工作在2.4 GHz和8688/928 MHz频段。相比蓝牙、红外通

讯技术，ZigBee技术组网更加简单灵活、形式多样，最大特色是具有带路由的自组网功能，特别适合有多个终端设备、数据传输量小且成本要求低的小型网络[4]。本系统ZigBee通信射频模块选用CC2530，它是Chipcon公司推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，基于该公司的SmartR 03技术，性能稳定功耗低。因此，特别适合本系统的对于可移动性小型网络的设计需要。

在系统设计中，温湿度传感器DHT22与CC2530通过串行接口相连接，作为系统的一个数据采集节点，即Zigbee终端节点，系统为了保证监测全面，精度准确，可以根据环境大小动态的设置多个数据采集节点；同时，一个CC2530芯片与S3C2440通过串口相连，并作为整个Zigbee网络的协调器中心节点，负责搭建成一个星型无线传感器网络。这样由终端节点采集并上传环境的温湿度信息，协调器将收集到的数据实时传输给S3C2440微处理器，由微处理器对数据进行处理，并驱动LCD触摸屏显示。硬件网络结构如图4所示。

2.4 显示交互模块

系统采用由S3C2440芯片驱动带有GUI源代码的液晶触屏显示器为用户显示交互面板，以此为基础进行用户功能界面设计，交互功能实现。

3 系统的软件设计

（1）Zigbee组网软件的设计。

（2）基于QT/E的用户GUI程序设计。

3.1 Zigbee组网软件的设计

Zigbee组网软件的设计是整个系统数据传输的关键。在Zigbee网络中，有且只有一个ZigBee协调器，即ZigBee的个域网协调器，是网络建立的起点，负责网络的初始化，确定个域网标识符和网络工作的物理信道，并统筹短地址的分配。ZigBee路由器是一个全功能设备，类似于定义的协调器，在接入网路后，它能获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内，它能允许其他节点加入或者离开网络，分配及收回短地址，路由和转发数据[6]。数据传送采用主从节点方式，与计算机相连作为主节点(协调器)，其他节点作为从节点(终端节点)，从节点可以向主节点发送中断请求，所以Zigbee组网程序包括协调器节点程序和终端节点程序设计两部分。在本系统中，与S3C2440连接的CC2530做为网络的协调器和路由器，协调器节点程序流程（图5）。

协调器上电后，首先初始化硬件电路、寄存器、协议栈、操作系统等，然后执行组网程序，最后进入无限循环的用户任务执行程序中。

Zigbee的终端节点程序流程中，其初始化过程与协调器初始化过程相似，但其后做为终端节点，则首先自动寻找网络，并自动加入，发出绑定请求，等协调器节点绑定成功之后，根据协调器发送的请求数据指令，发送温湿度传感器数据，其他时间则进入休眠状态，节省能耗。

3.2 基于QT/E的用户GUI程序设计

本系统需要将采集的数据进行图形化的显示，并允许用户进行警戒温度和湿度的设定，同时用颜色表示不同的环境适宜等级，并使用微处理器驱动一个蜂鸣器进行声音报警。为此，系统选用了QT/Embedded作为开发框架。QT/ Embedded是一个跨平台应用程序和UI开发框架，支持丰富的图形控件，提供美观的界面开发，完全满足人机交互产品的界面显示需求[7]。

首先在开发主机上建立QT开发环境，安装交叉编译工具，编写的应用程序先在开发主机上调试运行，然后通过使用QTCreator跨平台的集成开发环境，生成针对特定硬件平台的目标代码，最后移植到目标板上。

用户程序首先初始化S3C2440串口，连接CC2530芯片，定时发送采集数据指令后接受各个传感器节点送回的数据，并对温度、湿度数据进行加权平均处理，然后送到GUI界面图形化显示，并与系统预置警戒值对比，如果超过警戒值，则驱动蜂鸣器报警，提醒值班员进行查看并采取措施。

图4 Zigbee无线网络连接图

4 结束语

将嵌入式系统和Zigbee技术组建无线网络应用到航空相机保养环境监测系统中，实现了保养环境温湿度的实时监测，并且系统具有良好可移动性和可拓展性，极大方便了相机因为转场等原因引起的保养环境改变之后的实时监测。整套系统部署快捷，组网灵活，能满足实际工作中的需要。在此基础之上，还可以根据具体情况，拓展控制模块，实现监测和控制一体化。