基于μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的無線手持?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

李征明，張世剛，孫華英，馮新用，紀(jì)建偉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽　110161)

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基于μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的無線手持?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

李征明，張世剛，孫華英，馮新用，紀(jì)建偉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽110161)

摘要：針對傳統(tǒng)溫室數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)費(fèi)用高、傳感器布線復(fù)雜、部署不靈活、功耗大等特點(diǎn)，設(shè)計了一套基于μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的手持嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心控制器件，移植了具有多任務(wù)、實(shí)時性特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，并添加了與Windows操作界面類似的圖形界面軟件μC/GUI，方便用戶操作。系統(tǒng)使用了遵從ZigBee協(xié)議的Z-Stack協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。實(shí)驗表明：該系統(tǒng)完全適用于農(nóng)業(yè)溫室大棚等高濕環(huán)境，且無線通信功能安全可靠。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；STM32F103ZET6；μC/GUI；ZigBee；μC/OS-II；溫室

0引言

近年來，我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)發(fā)展極為迅速，生產(chǎn)面積正在以每年10%以上的速度增長。現(xiàn)代日光溫室是設(shè)施蔬菜的生產(chǎn)車間， 對日光溫室內(nèi)的大氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境因子數(shù)據(jù)的監(jiān)測與控制是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動化、高效化最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)的人工測量方式費(fèi)時費(fèi)力、效率低下、數(shù)據(jù)誤差大，而有線通信方式在溫室系統(tǒng)中也存在著布線復(fù)雜、維護(hù)困難、部署調(diào)整不便等缺點(diǎn)[3]。基于此，為了實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集與控制，設(shè)計一種基于無線方式的便攜式設(shè)備就顯得非常必要。本文針對溫室內(nèi)的4種環(huán)境因子，研制出一種基于嵌入式技術(shù)的便攜式操作設(shè)備。該設(shè)備利用溫度、濕度、光照、CO2等傳感器，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的精確測量，并通過ZigBee無線通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞殖纸K端并顯示，根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化情況，實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)溫濕度、光照、CO2等參數(shù)的集中控制。

1系統(tǒng)方案

本設(shè)計基于STM32F103ZET6芯片的核心控制與顯示以及CC2530無線通訊系統(tǒng)，構(gòu)建嵌入式開發(fā)環(huán)境，裁剪移植μC/OS-II操作系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件基于STM32F103ZET6芯片，擴(kuò)展能力強(qiáng)，對大多操作系統(tǒng)有很好的兼容性[4]。芯片具有豐富的外設(shè)資源，且功耗低，能夠滿足系統(tǒng)的基本要求。系統(tǒng)采用開源的μC/OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)軟件，可方便了解底層代碼，進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行充分的配置[5]。為方便控制操作，該系統(tǒng)采用4.3寸的TFT顯示屏，該屏帶有觸摸功能，體現(xiàn)了用戶界面的簡潔和方便。在軟件設(shè)計中，與系統(tǒng)配套使用μC/GUI，該圖形界面系統(tǒng)是專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的，用戶可直接調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行界面的設(shè)計，方便開發(fā)。在數(shù)據(jù)收發(fā)部分，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定。該協(xié)議底層采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實(shí)體層，具有低功耗、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速及可靠性高的諸多優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用支持ZIGBee802.15.4協(xié)議的CC2530芯片。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

1.1傳感器選擇

節(jié)點(diǎn)傳感器實(shí)現(xiàn)對植物生長環(huán)境因素的采集，要求傳感器具備較高的精度及較低的功耗。系統(tǒng)對溫濕度的采集采用了簡單易用的DHT11傳感器，濕度測量精度為±5RH，溫度測量精度為±2℃，滿足系統(tǒng)的要求。光照傳感器采用BH1750FVI，具有體積小、靈敏度高、 良好的穩(wěn)定性及功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用紅外二氧化碳傳感器，是一款專門用于農(nóng)業(yè)等多種高濕場合使用的產(chǎn)品，采用多重防護(hù)，確保傳感器不受外界不同環(huán)境的影響及可靠穩(wěn)定工作。其測量精度可達(dá)±5%，檢測分辨率達(dá)±10×10-6，符合系統(tǒng)要求。

圖1　系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.2無線數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采用支持ZigBee 802.15.4協(xié)議的CC2530芯片。該芯片擁有龐大的快閃記憶體多達(dá)256個字節(jié)，集成了1個高性能的RF收發(fā)器與1個8051內(nèi)核，以及強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，支持低功耗無線通信方式，并可以配備TI的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(RemoTI，Z-Stack)來簡化開發(fā)[6]。ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE 802.15.4的PHY層和MAC子層規(guī)范之上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層NWK和應(yīng)用層APL。應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層APS和ZigBee設(shè)備對象ADO。應(yīng)用框架中則加入了用戶自定義的應(yīng)用對象。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹狀和網(wǎng)絡(luò)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用了易于維護(hù)和安全的星型網(wǎng)絡(luò)。 CC2530外圍電路如圖2所示。

圖2　CC2530硬件電路圖

1.3顯示模塊

系統(tǒng)顯示部分采用3.2寸液晶屏，該液晶顯示屏分辨率為320×240，顯示器控制芯片采用ILI9341，觸摸檢測芯片采用XPT2046，配合STM32F103ZET6的FSMC進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示及其控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。圖3為LCD驅(qū)動模塊接口電路。

圖3　LCD驅(qū)動模塊接口電路

2軟件設(shè)計

2.1通信設(shè)計

協(xié)調(diào)器與各子節(jié)點(diǎn)之間采用具有低功耗、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速及可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線通信，系統(tǒng)采用了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧。其主要特點(diǎn)就是其兼容性，完全支持IEEE 802.15.4的CC2530片上系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)采用了星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的傳遞。星型網(wǎng)絡(luò)是有一個FFD和若干RFD構(gòu)成，F(xiàn)FD負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立之后FFD功能相當(dāng)于一個RFD，每個RFD與FFD之間可平等通信，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。具體組網(wǎng)流程如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，ZigBee協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行初始化工作，初始化完成后協(xié)調(diào)器調(diào)用Z-Stack協(xié)議棧中的ZDApp_NetworkInit函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建立及其初始化工作；同時，系統(tǒng)可通過邏輯類型判斷出該設(shè)備是否是協(xié)調(diào)器，如判斷是，則產(chǎn)生一個回調(diào)函數(shù)來告訴系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組件成功。

當(dāng)星型網(wǎng)絡(luò)組建成功之后，終端節(jié)點(diǎn)將采集得到實(shí)時的數(shù)據(jù)通過函數(shù)AF_DataRequest()發(fā)送到協(xié)調(diào)器，將終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)判斷通過UART發(fā)送到STM32F103ZET6進(jìn)行顯示；同時，協(xié)調(diào)器將STM32F103ZET6給它的控制信號通過廣播的形式發(fā)送到各個終端，終端將控制信號做判斷后執(zhí)行控制。

圖4　組網(wǎng)流程

2.2顯示模塊

系統(tǒng)的顯示部分采用了STM32F103芯片自帶的FSMC(Flexible Static Memory Controller)接口驅(qū)動電路來驅(qū)動LCD完成數(shù)據(jù)顯示。FSMC外部映射地址分為4個地址區(qū)，每個地址區(qū)可達(dá)256M，而每個地址區(qū)又可分為4個分地址區(qū)，支持NOR、NAND等類似的儲存器；同時，可以通過每個設(shè)備的片選引腳來選擇訪問那一個外部設(shè)備，每次盡可訪問一個設(shè)備。具體接口定義為：

FSMC_D[16:0]->16bit地址總線

FSMC NEx：分配給NOR的256M再分成4個區(qū)，每個區(qū)用來分配一個外設(shè)，這4個外設(shè)的片選：NE1-NE4對應(yīng)不同的引腳。

FSMC NOE：輸出使能端，連接LCD的RD腳。

FSMC NEW：寫使能端，連接LCD的RW腳。

2.3μC/OS-II移植

將μC/OS-II系統(tǒng)移植到STM32F103ZET6的過程如下：

1)修改os_cpu.h文件：①設(shè)置正確的數(shù)據(jù)類型；②設(shè)置進(jìn)入臨界區(qū)的方法，并編寫OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()宏；③設(shè)置堆棧增長方向；④設(shè)置任務(wù)切換方向OS_TASK_SW()。

2)修改os_cpu_c.c文件：①設(shè)置中斷產(chǎn)生時，CPU的中斷執(zhí)行過程，編寫堆棧任務(wù)初始化函數(shù)OS_TSK*OSTaskStkinit()；②編寫運(yùn)行優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)函數(shù)void OSStartHighRdy(void)；③編寫中斷級任務(wù)切換函數(shù)void OSIntCtxSw()；④編寫任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)void OSCtxSw()；⑤編寫時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序void OSTickISR()；

3)修改配置文件OS_CFG.H：主要是選擇及配置ucosII的模塊功能。

2.4μC/GUI的移植

μC/GUI是一種專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的圖形支持系統(tǒng)[7]，可以應(yīng)用多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互過程。其軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　uC/GUI圖形顯示系統(tǒng)

其具體移植過程為：

1)在GUIConf.h中定義uC/GUI的功能模塊、動態(tài)存儲空間大小以及其默認(rèn)字體設(shè)置如下：

#define GUI_OS (1)//多任務(wù)

#define GUI_SUPPORT_TOUCH (1)//觸摸

#define GUI_SUPPORT_UNICODE (1)// UNICODE支持

#define GUI_DEFAULT_FONT&GUI_Font6x8//默認(rèn)字體

#define GUI_ALLOC_SIZE 5000//動態(tài)內(nèi)存大小

2)在LCDConf.h文件中定義LCD大小、控制器類別、總線寬度、顏色選取LCD參數(shù)如下：

#define LCD_XSIZE

(320)

#define LCD_YSIZE

(240)

#define LCD_CONTROLLER

(8347)

#define LCD_BITSPERPIXEL

(16)

#define LCD_FIXEDPALETTE

(565)

#define LCD_SWAP_RB

(1)

3)LCD驅(qū)動程序：LCD驅(qū)動編程是對LCD屏上每個點(diǎn)對應(yīng)的顯存進(jìn)行編程，底層采用最基本的畫點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行屏幕上對應(yīng)點(diǎn)的亮滅的編程，上層則調(diào)用畫點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行其它圖像的顯示。

3軟件流程

整個系統(tǒng)有多個任務(wù)組成，按照定時節(jié)拍在一定時間內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)，由于不同任務(wù)所需執(zhí)行力度不一，所以定義了不同的優(yōu)先級加以限制。系統(tǒng)定義的任務(wù)及其優(yōu)先級如下:

#defineAPP_TASK_START_PRIO1//啟動任務(wù)

#defineAPP_TASK_USER_IF_PRIO4//觸摸任務(wù)

#defineAPP_TASK_COM_PRIO3//LED任務(wù)

#defineAPP_TASK_USART1_PRIO 10//串口任務(wù)

#defineAPP_TASK_GUI_PRIO

(OS_LOWEST_PRIO - 3)//GUI顯示任務(wù)

系統(tǒng)在上電之后，從main函數(shù)進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的初始化、硬件初始化過程，建立主任務(wù)App_TaskStart()，之后調(diào)用OSStart()開始執(zhí)行整個操作系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　軟件流程

4系統(tǒng)應(yīng)用

采用ZigBee 2.4G網(wǎng)絡(luò)將終端所測數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，可以通過網(wǎng)管手動進(jìn)行設(shè)置終端參數(shù)及控制終端執(zhí)行某種動作。利用嵌入式STM32F103ZET6為核心并結(jié)合μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)儀表的智能化、多功能化。網(wǎng)關(guān)可做成手持式，方便用戶使用。因此該系統(tǒng)完全可用在現(xiàn)代智能溫室大棚的應(yīng)用當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集及溫室內(nèi)的智能控制。

5結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計的基于μC/OS-II的嵌入式測控設(shè)備，移植了μC/GUI圖形界面，可使用戶熟練地對系統(tǒng)所監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，用戶不必為如何使用該設(shè)備而擔(dān)心。同時，系統(tǒng)采用的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，由于其具有的穩(wěn)定傳輸性與安全性特點(diǎn)，保證了所采集數(shù)據(jù)的可靠和安全。實(shí)驗證明：采用基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測及其低功耗傳輸系統(tǒng)，單個CC2530 終端節(jié)點(diǎn)裝載多種傳感器，采集傳輸了溫室多種環(huán)境參數(shù)，對溫室內(nèi)的生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了智能監(jiān)測和精確管理，具有良好的應(yīng)用前景。

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Wireless Handheld Data Monitoring System Based on μC/OS-Ⅱ

Li Zhengming, Zhang Shigang, Sun Huaying, Feng Xinyong， Ji Jianwei

(College of Information and Electrical Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Abstract：In order to overcome the disadvantages of the traditional data monitoring system in greenhouse, such as high cost, sensor complicated cabling, inflexible deployment, high energy consumption, a wireless handheld data monitoring system was designed based on μC/OS-Ⅱ. The system was structured by STM32F103ZET6 microprocessor, and μC/OS-Ⅱoperating system was chosen as software platform , and used μC/GUI as graphical interface software. It is convenient to user. The system uses Z-Stack protocol abide by ZigBee protocol, realized wireless data transfer. The experiment show that the system is fully suitable for high humidity environment, such as greenhouse. The wireless communication system is safety and reliability.

Key words：embedded system; STM32F103ZET6; μC/GUI; ZigBee; μC/OS-Ⅱ; greenhouse

文章編號：1003-188X(2016)01-0150-05

中圖分類號：S625.3；TP216.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李征明(1977-)，男，河北玉田人，講師，碩士，(E-mail)bwclzm@163.com。通訊作者：紀(jì)建偉(1963-)，男，遼寧錦州人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jianweiji7879@hotmail.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(60974113)；遼寧省自然科學(xué)基金項目(201102191)；遼寧省教育廳科研項目(L2011112)

收稿日期：2015-02-12