基于TinyOS2．x的温湿度传感器的底层驱动与应用

摘要：简要介绍了TinyOS操作系统基本架构和ncsC语言组件编程方法，并剖析了SHTxx温湿度传感器的物理特性、温湿度计算原理、硬件电路设计；详细介绍了在TinyOS2．x操作系统下，SHTxx型温湿度传感器底层组件驱动程序的设计过程，并在集成有CC2530的硬件平台上验证了此驱动的可行性以及温湿度传感器的数据采集的系统方法。
关键词：操作系统；底层驱动；温湿度；采集；系统方法

引言
    无线传感网络可以用一个简单的数学等式概括：传感器+片上系统+无线通信=宽广应用。传感器将检测到的信号按一定规律变换成为电信号或其他信息形式传输至无线传感网络，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。本文研究了在TinyOS2．x操作系统上，SHTxx型温湿度传感器底层驱动的应用研究，并且通过硬件平台的设计，验证了应用的可行性。

1 TinyOS系统与nesC语言
1．1 TinyOS系统
    TinyOS是美国加州大学伯克利分校开发的一种基于事件驱动的操作系统，其目标是用最少的硬件支持网络传感器的并发密集型操作。Tin yOS操作系统把底层硬件封装成组件架构，通过组件的层递结构对应用层提供与硬件无关的接口，它的这种分层架构易于操作系统的移植。
    TinyOS构建成一种自下而上的树状结构，如图1所示。最底层的组件直接与硬件交互，同时向上层报告事件的发生，上层组件收到信号向下发送指令。TinyOS是专为低功耗微控制器设计的一种微型操作系统。此外，它还有非常环保的省电制度和机制。

1．2 nesC语言
    nesC(network embeded system C)语言由C语言扩展而来，用来描述TinyOS的执行模型和结构；nesC语言是TinyOS的编程语言，也是Tiny OS应用程序的开发工具。nesC程序主要由配置组件、模块组件和编译文件组成，如图2所示。

1．3 组件与程序
    TinyOS组件分为配置和模块两种组件。一般来说，上层组件可以调用底层组件的命令，下层组件通过触发信号的方式通知上层组件及其事件的发生，最底层的组件直接和硬件交互，从而自上到下形成一种树状结构。接口的提供者必须实现接口中的命令函数，而接口的使用者必须实现接口的事件函数，如图3所示。一个组件可以使用或提供多个接口，以及实现同一个接口的多个命令。

    模块提供应用程序代码，实现一个或多个接口；配置则是通过配线将其他组件装配起来的组件，将各个组件所使用的接口与其他组件提供的接口连接在一起。

2 SHTxx温湿度传感器介绍
    SHTxx系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。SHTxx传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A／D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。
2．1 SHTxx温湿度传感器的硬件接口
    SHTxx的串行接口与I2C总线相似，但与I2C总线接口并不兼容，图4为SHTxx温湿度传感器的硬件接口电路图。SCK用于微处理器与SHTxx之间的时钟同步通信。由于SHTxx内部接口包含了完全静态逻辑，因此不存在最小SCK频率。DATA为三态逻辑门，主要用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如10 kΩ)将信号提拉至高电平。

2．2 SHTxx温湿度传感器的工作时序
    SHTxx温湿度传感器用一组“启动传输”时序来表示数据传输的初始化。当SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后在SCK时钟为高电平时，DATA翻转为高电平。
    SHTxx温湿度传感器通信命令中高3位表示地址位(目前只支持“000”)、低5位表示命令位(如表1所列)。SHTxx温湿度传感器在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平(ACK位)；在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA(恢复高电平)表示已正确地接收到指令。

    SHTxx温湿度传感器的测量输出包括温度湿两种测量值，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，使用式(1)修正SHTxx湿度输出数值，对于高于99％RH的湿度测量值则表示空气已经完全饱和，必须处理为100％RH。

    湿度转换系数具体取值如表2所列，其中C1、C2和C3为修正系数，SORH为相对湿度测量值。
   
    SHTxx的温度传感器是由能隙材料PTAT(正比于绝对温度)组成，该材料具有极好的线性度。可将数字输出转换为温度值：
    T=d1+d2×SOT        (2)
    其中，d1、d2为温度转换系数；SOT为温度数字输出。具体取值可参考表3、表4。

2．3 SHTxx温湿度传感器节点硬件设计
    图5为温湿度传感器节点的电路图，其中SHTxx的DATA和SCK引脚分别与CC2530的P0．1和P1．7脚相连，供电电压为3．3 V。

3 SHTxx的TinyOS底层驱动设计
3．1 SHTxx温湿度传感器底层接口驱动设计
    由SHTxx温湿度传感器测量时序可知，SHTxx温湿度传感器测量时序包括启动传输、发送命令、2字节数据传输以及CRC校验传输等时序部分。SHTxx温湿度传感器的TinyOS驱动代码包括SHT接口的定义SHT．nc、SHT配置组件SHTC．nc和模块组件SHTP．nc三部分。
    (1)SHT温湿度传感器接口定义
    在SHT温湿度传感器接口中，定义了read命令函数和ReadDone事件函数。read命令函数负责启动SHTxx温湿度传感器的测量过程，ReadDo ne事件函数则是当SHTxx温湿度传感器测量完成后触发该事件。具体代码如下：
   
    (2)SHT温湿度传感器配置组件
    在SHT温湿度传感器配置组件中，利用MainC组件的初始化命令完成对SHT温湿度传感器的初始化操作。HplCC2530GenerallOC组件对SHT温湿度传感器端口进行配置，定时器组件定义两次测量的时间间隔，部分代码如下：
   
    (3)SHT温湿度传感器模块组件
    SHT温湿度传感器模块组件完成SHT温湿度传感器数据读取的底层驱动，完成对SHT温湿度传感器的时序模拟以及实现SHT接口函数。在数据读取完成后，触发ReadDone事件函数，下面主要介绍SHT温湿度传感器驱动模块中的几个与时序相关的函数。
    复位时序模拟函数如下：
   
    数据读取时序模拟函数如下：
    recvByte(uint8_t ack)函数模拟读取数据时的时序。微处理器在读取SHTxx温湿度传感器的数据时，有两种不同的应答信号。在读取转换数据时，由微处理器将DATA线拉为低电平作为应答信号；而在读取CRC数据时，需要将DATA线拉为高电平应答信号，所以在recvByte(uint8 _t ack)函数中，ack作为两种应答信息参数进行传递。该函数返回读取的数据。
   
    SHTxx温湿度传感器写数据主要为写命令字和SHTxx温湿度传感器的状态寄存器，在写命令字完成后，SHTxx温湿度传感器将控制DATA数据线，并将数据线上拉为高电平作为应答信号。写数据时序模拟函数略——编者注。
3．2 SHTxx温湿度传感器TinyOS驱动程序设计
    SHTxx温湿度传感器驱动测试程序通过SHTxx温湿度底层驱动将采集SHTxx的温湿度值，显示在开发平台中的LCD屏上，程序文件包括模块组件TestSHTM．nc、配置组件TestSHTC．nc以及编译文件makefile。
    TestSHTC．nc的配置文件部分代码略——编者注。SHTxx温湿度传感器驱动测试程序的组件关联图略——编者注。

4 系统测试及结论
    通过Cygwin平台对应用程序进行编译和链接，生成hex文件，下载程序到目标硬件平台运行。LCD显示温湿度采集结果，通过测试发现，该系统能完成预期的数据采集功能。根据SHTxx温湿度传感器驱动的设计方法完成其他传感器的驱动设计。当然也可以利用该驱动程序，通过网络实时监控周围环境的温湿度参数。