基于TinyOS2．x的溫濕度傳感器的底層驅(qū)動與應(yīng)用

摘要：簡要介紹了TinyOS操作系統(tǒng)基本架構(gòu)和ncsC語言組件編程方法，并剖析了SHTxx溫濕度傳感器的物理特性、溫濕度計算原理、硬件電路設(shè)計；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)動程序的設(shè)計過程，并在集成有CC2530的硬件平臺上驗證了此驅(qū)動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；溫濕度；采集；系統(tǒng)方法

引言
無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以用一個簡單的數(shù)學(xué)等式概括：傳感器+片上系統(tǒng)+無線通信=寬廣應(yīng)用。傳感器將檢測到的信號按一定規(guī)律變換成為電信號或其他信息形式傳輸至無線傳感網(wǎng)絡(luò)，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、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)動的應(yīng)用研究，并且通過硬件平臺的設(shè)計，驗證了應(yīng)用的可行性。

1 TinyOS系統(tǒng)與nesC語言
1．1 TinyOS系統(tǒng)
TinyOS是美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一種基于事件驅(qū)動的操作系統(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)，通過組件的層遞結(jié)構(gòu)對應(yīng)用層提供與硬件無關(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，同時向上層報告事件的發(fā)生，上層組件收到信號向下發(fā)送指令。TinyOS是專為低功耗微控制器設(shè)計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語言
nesC(network embeded system C)語言由C語言擴(kuò)展而來，用來描述TinyOS的執(zhí)行模型和結(jié)構(gòu)；nesC語言是TinyOS的編程語言，也是Tiny OS應(yīng)用程序的開發(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。一般來說，上層組件可以調(diào)用底層組件的命令，下層組件通過觸發(fā)信號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狀結(jié)構(gòu)。接口的提供者必須實現(xiàn)接口中的命令函數(shù)，而接口的使用者必須實現(xiàn)接口的事件函數(shù)，如圖3所示。一個組件可以使用或提供多個接口，以及實現(xiàn)同一個接口的多個命令。

模塊提供應(yīng)用程序代碼，實現(xiàn)一個或多個接口；配置則是通過配線將其他組件裝配起來的組件，將各個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)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。SHTxx傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。
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，主要用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻(例如10 kΩ)將信號提拉至高電平。

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