張國棟，蘇媛媛，劉建東，王淑娟

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

基于Zigbee的航空相機保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

張國棟，蘇媛媛，劉建東，王淑娟

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

航空相機在日常保養(yǎng)當中，特別需要注意防霉、防銹等問題，現(xiàn)行預防方法實時性差，可移動性不強。為了解決這一矛盾，設計了可移動式的航空相機保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)設計基于ARM微處理器S3C2440為核心處理器，采用以ZigBee通信協(xié)議和多傳感器技術為基礎的智能網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，對相機保養(yǎng)環(huán)境中的溫度、濕度等指標進行精確監(jiān)測。

嵌入式；ARM；ZigBee；可移動性

0 引言

航空相機是具有一定像幅尺寸能夠安裝在飛行器上對地面自動地進行連續(xù)攝影的照相機，是一臺結構復雜的全自動光學電子機械裝置，具有精密的光學系統(tǒng)和電動結構，所攝取的影像能滿足量測和判讀的要求[1]。而相機的光學器件在使用和儲存過程中，由于周圍環(huán)境和防護保養(yǎng)不及時等原因，其光學器件表面（鏡片）會緩慢地生成霉和霧（圖1）。光學表面一旦生霉、生霧，就會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，從而導致目標成像模糊不清，甚至使儀器完全喪失其使用能力[2]。而霉菌的生長與周圍環(huán)境的溫度、濕度有直接關系。因此，為了保證航空相機高精度的工作，對其保養(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)行部隊航空相機保養(yǎng)環(huán)境還是采用人工監(jiān)控方式，存在實時監(jiān)控能力、視情和應急保障能力、隨行保障能力明顯不足等突出問題。為了提高航空相機保養(yǎng)的效率，解決頻繁轉場所帶來的環(huán)境變化等問題，特設計了一種基于ARM處理器和ZigBee無線通信協(xié)議為基礎的航空相機器材保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。主要功能是對保養(yǎng)環(huán)境的溫度、濕度等指標進行監(jiān)控和報警，并且整個系統(tǒng)具有可便攜性和可擴展性。

1 系統(tǒng)總體設計

為了保證系統(tǒng)的可靠性、便攜性和擴展性，采用DHT22數(shù)字型溫濕度傳感器來采集環(huán)境信息，采用CC2530芯片作為ZigBee通信射頻模塊來進行數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，采用基于ARM核心的Samsung S3C2440作為核心處理器，對采集的信息進行處理，并連接LCD觸控屏作為顯示和交互部件。其中CC2530芯片負責整個無線網(wǎng)絡的協(xié)調與管理。系統(tǒng)整體設計，見圖2。

圖1 光學鏡片的霉菌腐蝕

2 系統(tǒng)硬件模塊設計

2.1 監(jiān)測模塊監(jiān)測模塊主要選用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性與長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[5]。其單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，測溫-40～80℃，抗干擾能力較強、性價高等優(yōu)點能滿足本系統(tǒng)的需要。DHT22通過單線串行總線與CC2530相連，通過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)處理模塊設計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、性價比高[3]。該芯片可以方便的移植Linux2.6系統(tǒng)來運行，方便進行應用程序的設計，以及顯示、輸出等的管理。

圖2 系統(tǒng)結構框圖

圖3 DHT22連線圖

2.3 接收與組網(wǎng)模塊

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

訊技術，ZigBee技術組網(wǎng)更加簡單靈活、形式多樣，最大特色是具有帶路由的自組網(wǎng)功能，特別適合有多個終端設備、數(shù)據(jù)傳輸量小且成本要求低的小型網(wǎng)絡[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標準的射頻收發(fā)器，基于該公司的SmartR 03技術，性能穩(wěn)定功耗低。因此，特別適合本系統(tǒng)的對于可移動性小型網(wǎng)絡的設計需要。

在系統(tǒng)設計中，溫濕度傳感器DHT22與CC2530通過串行接口相連接，作為系統(tǒng)的一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，即Zigbee終端節(jié)點，系統(tǒng)為了保證監(jiān)測全面，精度準確，可以根據(jù)環(huán)境大小動態(tài)的設置多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點；同時，一個CC2530芯片與S3C2440通過串口相連，并作為整個Zigbee網(wǎng)絡的協(xié)調器中心節(jié)點，負責搭建成一個星型無線傳感器網(wǎng)絡。這樣由終端節(jié)點采集并上傳環(huán)境的溫濕度信息，協(xié)調器將收集到的數(shù)據(jù)實時傳輸給S3C2440微處理器，由微處理器對數(shù)據(jù)進行處理，并驅動LCD觸摸屏顯示。硬件網(wǎng)絡結構如圖4所示。

2.4 顯示交互模塊

系統(tǒng)采用由S3C2440芯片驅動帶有GUI源代碼的液晶觸屏顯示器為用戶顯示交互面板，以此為基礎進行用戶功能界面設計，交互功能實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件設計

（1）Zigbee組網(wǎng)軟件的設計。

（2）基于QT/E的用戶GUI程序設計。

3.1 Zigbee組網(wǎng)軟件的設計

Zigbee組網(wǎng)軟件的設計是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵。在Zigbee網(wǎng)絡中，有且只有一個ZigBee協(xié)調器，即ZigBee的個域網(wǎng)協(xié)調器，是網(wǎng)絡建立的起點，負責網(wǎng)絡的初始化，確定個域網(wǎng)標識符和網(wǎng)絡工作的物理信道，并統(tǒng)籌短地址的分配。ZigBee路由器是一個全功能設備，類似于定義的協(xié)調器，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)點加入或者離開網(wǎng)絡，分配及收回短地址，路由和轉發(fā)數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)傳送采用主從節(jié)點方式，與計算機相連作為主節(jié)點(協(xié)調器)，其他節(jié)點作為從節(jié)點(終端節(jié)點)，從節(jié)點可以向主節(jié)點發(fā)送中斷請求，所以Zigbee組網(wǎng)程序包括協(xié)調器節(jié)點程序和終端節(jié)點程序設計兩部分。在本系統(tǒng)中，與S3C2440連接的CC2530做為網(wǎng)絡的協(xié)調器和路由器，協(xié)調器節(jié)點程序流程（圖5）。

協(xié)調器上電后，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，最后進入無限循環(huán)的用戶任務執(zhí)行程序中。

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

3.2 基于QT/E的用戶GUI程序設計

本系統(tǒng)需要將采集的數(shù)據(jù)進行圖形化的顯示，并允許用戶進行警戒溫度和濕度的設定，同時用顏色表示不同的環(huán)境適宜等級，并使用微處理器驅動一個蜂鳴器進行聲音報警。為此，系統(tǒng)選用了QT/Embedded作為開發(fā)框架。QT/ Embedded是一個跨平臺應用程序和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)，完全滿足人機交互產(chǎn)品的界面顯示需求[7]。

首先在開發(fā)主機上建立QT開發(fā)環(huán)境，安裝交叉編譯工具，編寫的應用程序先在開發(fā)主機上調試運行，然后通過使用QTCreator跨平臺的集成開發(fā)環(huán)境，生成針對特定硬件平臺的目標代碼，最后移植到目標板上。

用戶程序首先初始化S3C2440串口，連接CC2530芯片，定時發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令后接受各個傳感器節(jié)點送回的數(shù)據(jù)，并對溫度、濕度數(shù)據(jù)進行加權平均處理，然后送到GUI界面圖形化顯示，并與系統(tǒng)預置警戒值對比，如果超過警戒值，則驅動蜂鳴器報警，提醒值班員進行查看并采取措施。

圖4 Zigbee無線網(wǎng)絡連接圖

4 結束語

將嵌入式系統(tǒng)和Zigbee技術組建無線網(wǎng)絡應用到航空相機保養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)了保養(yǎng)環(huán)境溫濕度的實時監(jiān)測，并且系統(tǒng)具有良好可移動性和可拓展性，極大方便了相機因為轉場等原因引起的保養(yǎng)環(huán)境改變之后的實時監(jiān)測。整套系統(tǒng)部署快捷，組網(wǎng)靈活，能滿足實際工作中的需要。在此基礎之上，還可以根據(jù)具體情況，拓展控制模塊，實現(xiàn)監(jiān)測和控制一體化。

圖5 協(xié)調器節(jié)點程序流程圖

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

［2］洪津，孫彥青.工程裝備光學儀器的防霉防霧研究［J］.機械工程與自動化，2012，（2）.

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

［4］任秀麗，于海斌.Zigbee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術的研究［J］.計算機工程與應用，2007，43（6）.

［5］DHT22說明書［M］.廣州奧松電子有限公司.

［6］彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡研究［J］.現(xiàn)代電子技術，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