基于Zigbee的航空相機保養環境監測系統設計

張國棟，蘇媛媛，劉建東，王淑娟

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

基于Zigbee的航空相機保養環境監測系統設計

張國棟，蘇媛媛，劉建東，王淑娟

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

航空相機在日常保養當中，特別需要注意防霉、防銹等問題，現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環境監測與控制系統。本系統設計基于ARM微處理器S3C2440為核心處理器，采用以ZigBee通信協議和多傳感器技術為基礎的智能網絡控制系統，對相機保養環境中的溫度、濕度等指標進行精確監測。

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，由于周圍環境和防護保養不及時等原因，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，對其保養環境提出了很高的要求。主要是保養環境必須保持干燥、低溫和低濕度。

現行部隊航空相機保養環境還是采用人工監控方式，存在實時監控能力、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的效率，解決頻繁轉場所帶來的環境變化等問題，特設計了一種基于ARM處理器和ZigBee無線通信協議為基礎的航空相機器材保養環境監測系統。主要功能是對保養環境的溫度、濕度等指標進行監控和報警，并且整個系統具有可便攜性和可擴展性。

1 系統總體設計

為了保證系統的可靠性、便攜性和擴展性，采用DHT22數字型溫濕度傳感器來采集環境信息，采用CC2530芯片作為ZigBee通信射頻模塊來進行數據的無線收發，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絡的協調與管理。系統整體設計，見圖2。

圖1 光學鏡片的霉菌腐蝕

2 系統硬件模塊設計

2.1 監測模塊監測模塊主要選用DHT22數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有較高的可靠性與長期穩定性。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，使系統集成變得簡易快捷，測溫-40～80℃，抗干擾能力較強、性價高等優點能滿足本系統的需要。DHT22通過單線串行總線與CC2530相連，通過CC2530控制數據的采集，連線圖如圖3。

2.2 數據處理模塊

數據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的內核，最高支持1GRAM，內部集成了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 系統結構框圖

圖3 DHT22連線圖

2.3 接收與組網模塊

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

訊技術，ZigBee技術組網更加簡單靈活、形式多樣，最大特色是具有帶路由的自組網功能，特別適合有多個終端設備、數據傳輸量小且成本要求低的小型網絡[4]。本系統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標準的射頻收發器，基于該公司的SmartR 03技術，性能穩定功耗低。因此，特別適合本系統的對于可移動性小型網絡的設計需要。

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

2.4 顯示交互模塊

系統采用由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。

3 系統的軟件設計

（1）Zigbee組網軟件的設計。

（2）基于QT/E的用戶GUI程序設計。

3.1 Zigbee組網軟件的設計

Zigbee組網軟件的設計是整個系統數據傳輸的關鍵。在Zigbee網絡中，有且只有一個ZigBee協調器，即ZigBee的個域網協調器，是網絡建立的起點，負責網絡的初始化，確定個域網標識符和網絡工作的物理信道，并統籌短地址的分配。ZigBee路由器是一個全功能設備，類似于定義的協調器，在接入網路后，它能獲得一定的16位短地址空間。在其通信范圍內，它能允許其他節點加入或者離開網絡，分配及收回短地址，路由和轉發數據[6]。數據傳送采用主從節點方式，與計算機相連作為主節點(協調器)，其他節點作為從節點(終端節點)，從節點可以向主節點發送中斷請求，所以Zigbee組網程序包括協調器節點程序和終端節點程序設計兩部分。在本系統中，與S3C2440連接的CC2530做為網絡的協調器和路由器，協調器節點程序流程（圖5）。

協調器上電后，首先初始化硬件電路、寄存器、協議棧、操作系統等，然后執行組網程序，最后進入無限循環的用戶任務執行程序中。

Zigbee的終端節點程序流程中，其初始化過程與協調器初始化過程相似，但其后做為終端節點，則首先自動尋找網絡，并自動加入，發出綁定請求，等協調器節點綁定成功之后，根據協調器發送的請求數據指令，發送溫濕度傳感器數據，其他時間則進入休眠狀態，節省能耗。

3.2 基于QT/E的用戶GUI程序設計

本系統需要將采集的數據進行圖形化的顯示，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，系統選用了QT/Embedded作為開發框架。QT/ Embedded是一個跨平臺應用程序和UI開發框架，支持豐富的圖形控件，提供美觀的界面開發，完全滿足人機交互產品的界面顯示需求[7]。

首先在開發主機上建立QT開發環境，安裝交叉編譯工具，編寫的應用程序先在開發主機上調試運行，然后通過使用QTCreator跨平臺的集成開發環境，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，定時發送采集數據指令后接受各個傳感器節點送回的數據，并對溫度、濕度數據進行加權平均處理，然后送到GUI界面圖形化顯示，并與系統預置警戒值對比，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無線網絡連接圖

4 結束語

將嵌入式系統和Zigbee技術組建無線網絡應用到航空相機保養環境監測系統中，實現了保養環境溫濕度的實時監測，并且系統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環境改變之后的實時監測。整套系統部署快捷，組網靈活，能滿足實際工作中的需要。在此基礎之上，還可以根據具體情況，拓展控制模塊，實現監測和控制一體化。

圖5 協調器節點程序流程圖

［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無線通信協議實現技術的研究［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的無線傳感器網絡研究［J］.現代電子技術，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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B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.02.55