基于TinyOS2．x的溫濕度傳感器的底層驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用

摘要：簡(jiǎn)要介紹了TinyOS操作系統(tǒng)基本架構(gòu)和ncsC語(yǔ)言組件編程方法，并剖析了SHTxx溫濕度傳感器的物理特性、溫濕度計(jì)算原理、硬件電路設(shè)計(jì)；詳細(xì)介紹了在TinyOS2．x操作系統(tǒng)下，SHTxx型溫濕度傳感器底層組件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，并在集成有CC2530的硬件平臺(tái)上驗(yàn)證了此驅(qū)動(dòng)的可行性以及溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)方法。
關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；底層驅(qū)動(dòng)；溫濕度；采集；系統(tǒng)方法

引言
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)等式概括：傳感器+片上系統(tǒng)+無(wú)線通信=寬廣應(yīng)用。傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他信息形式傳輸至無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。本文研究了在TinyOS2．x操作系統(tǒng)上，SHTxx型溫濕度傳感器底層驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究，并且通過(guò)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了應(yīng)用的可行性。

1 TinyOS系統(tǒng)與nesC語(yǔ)言
1．1 TinyOS系統(tǒng)
TinyOS是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的一種基于事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，其目標(biāo)是用最少的硬件支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的并發(fā)密集型操作。Tin yOS操作系統(tǒng)把底層硬件封裝成組件架構(gòu)，通過(guò)組件的層遞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用層提供與硬件無(wú)關(guān)的接口，它的這種分層架構(gòu)易于操作系統(tǒng)的移植。
TinyOS構(gòu)建成一種自下而上的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。最底層的組件直接與硬件交互，同時(shí)向上層報(bào)告事件的發(fā)生，上層組件收到信號(hào)向下發(fā)送指令。TinyOS是專(zhuān)為低功耗微控制器設(shè)計(jì)的一種微型操作系統(tǒng)。此外，它還有非常環(huán)保的省電制度和機(jī)制。

1．2 nesC語(yǔ)言
nesC(network embeded system C)語(yǔ)言由C語(yǔ)言擴(kuò)展而來(lái)，用來(lái)描述TinyOS的執(zhí)行模型和結(jié)構(gòu)；nesC語(yǔ)言是TinyOS的編程語(yǔ)言，也是Tiny OS應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具。nesC程序主要由配置組件、模塊組件和編譯文件組成，如圖2所示。

1．3 組件與程序
TinyOS組件分為配置和模塊兩種組件。一般來(lái)說(shuō)，上層組件可以調(diào)用底層組件的命令，下層組件通過(guò)觸發(fā)信號(hào)的方式通知上層組件及其事件的發(fā)生，最底層的組件直接和硬件交互，從而自上到下形成一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。接口的提供者必須實(shí)現(xiàn)接口中的命令函數(shù)，而接口的使用者必須實(shí)現(xiàn)接口的事件函數(shù)，如圖3所示。一個(gè)組件可以使用或提供多個(gè)接口，以及實(shí)現(xiàn)同一個(gè)接口的多個(gè)命令。

模塊提供應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)接口；配置則是通過(guò)配線將其他組件裝配起來(lái)的組件，將各個(gè)組件所使用的接口與其他組件提供的接口連接在一起。

2 SHTxx溫濕度傳感器介紹
SHTxx系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。SHTxx傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。
2．1 SHTxx溫濕度傳感器的硬件接口
SHTxx的串行接口與I2C總線相似，但與I2C總線接口并不兼容，圖4為SHTxx溫濕度傳感器的硬件接口電路圖。SCK用于微處理器與SHTxx之間的時(shí)鐘同步通信。由于SHTxx內(nèi)部接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因此不存在最小SCK頻率。DATA為三態(tài)邏輯門(mén)，主要用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻(例如10 kΩ)將信號(hào)提拉至高電平。

2．2 SHTxx溫濕度傳感器的工作時(shí)序
SHTxx溫濕度傳感器用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來(lái)表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。?dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。