随着传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的高速发展，孕育出了无线传感器网络（Wireless Sensor Networks），并以其低距离近、低成本、低功耗、自组织和分布式的特点，带来了信息感知的一场革命[1]。其中ZigBee以其保密性好、功耗低、网络容量大的特点，在自动气象数据采集中得到应用。

    随着时间的推移，自动气象站的各个气象传感器的测量准确度会产生漂移，必须定期进行校准，以确保测量数据的准确、可靠。传统的校准装置采用有线形式，为实现自动读数及校准需要与各个传感器和标准器进行连接，给现场校准带了不少麻烦。因此，设计了基于无线传感器网络的手持式校准器，以无线方式接收无线传感网络自动气象站各个传感器发送的气象数据，通过与标准器的比对并发送校准命令来校准传感器的零点及满量程，避免了校准装置和自动气象站之间的连线。校准完成时发送打印数据给无线打印机，实现校准结果的无线打印。
1 手持式校准器设计与实现原理
    本设计利用ZigBee协议栈处理器为核心的无线传输功能模块、单片计算机、液晶显示模块、NANDFlash存储器、时钟电路等，主要实现对所要校准的气象传感器数据与校准器数据的无线接收、显示和存储，并通过对传感器数据与标准器数据的比对来发送校准命令给校准的气象传感器。
    手持式校准器工作流程图如图1所示。当对无线传感网络自动气象站的传感器进行校准时，手持式校准器作为路由器加入自动气象站所在的网络中，发送包含所要校准气象传感器信息的校准开始命令给协调器，协调器接收到校准开始命令后会转发该气象传感器数据和校准器数据给手持式校准器，由手持式校准器进行数据的显示、存储和处理。当校准完成时，通过点击手持式校准器屏幕的“发送”，将校准命令发送给协调器，由协调器转发给所校准的气象传感器，从而实现该传感器的零点及满量程校准。通过点击手持式校准器屏幕的“打印”，手持式校准器发送打印数据给无线打印机，实现校准结果的无线打印。

2 硬件电路设计
2.1 CC2530与单片机的连接
    手持式校准器的ZigBee协议栈处理器选用以CC2530为核心的无线传输功能模块，单片计算机选用STC89C-516RD+。CC2530是TI公司以C51为内核的ZigBee芯片，它支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE标准，提供101 dB的链路质量，具有高接收灵敏度和强抗干扰性，同时具有低功耗、低成本、时延短、高容量、高安全等特点[2]。尽管CC2530自身内嵌了高性能的C51处理器，但由于其资源有限，不能同时胜任彩色液晶显示、键盘、大容量存储器等连接的需要，因此采用了单片机STC89C516RD+来实现这些功能，成为双处理器结构。
    CC2530与单片机之间采用串口通信，波特率设置为57 600 b/s，因此单片机和CC2530的串行接口都通过编程使串行接口工作在同样的波特率[3]。CC2530与单片机的连接电路如图2所示，CC2530的串行数据发送端(P0_3)与单片机的串行数据接收端(RXD)直接相连，CC2530的串行数据接收端(P0_2)与单片机的串行数据发送端(TXD)直接相连。CC2530的设备类型被设置为路由器，主要负责数据的转发。单片机是手持式校准器的核心部分，主要负责发送校准开始命令，以及对CC2530通过串口发送来的数据的处理、存储和显示，发送打印数据，同时控制其他电路的稳定运行。

2.2 单片机外围电路设计
    手持式校准器需要发送各种命令和打印数据，还需存储和显示所接收的数据、时间和日期等。为实现手持式校准器的便携性，手持式校准器采用3.7 V高性能锂电池供电。由于手持式校准器各个电路采用3.3 V供电，所以要把3.7 V降到3.3 V，这里选择PAM3101DAB330，其压差为0.18 V，即使锂电池的电压降到3.5 V，PAM3101-DAB330输出电压仍能稳定在3.3 V。目前触摸屏功能在手机和电脑上得到广泛应用。为了增加界面的可视性，同时避免外接按键电路引起的校准器体积变大，这里采用了支持触摸屏功能的彩色液晶显示模块。由于显示模块具有16 bit数据总线，通过外加74HC373将单片机发送的高8 bit数据锁存，然后和低8 bit数据一起发送给显示模块，解决了数据总线的扩展问题[4]。存储电路采用三星的K9F1G08U0A，其1 Gbit的存储空间完全能够保存1天内接收到的所有气象数据。校准器采用时钟芯片DS1302产生时间和日期[5]，单片机外围电路如图3所示。

3 软件设计

    由于手持式校准器是双处理器结构，所以需要对CC2530和单片机分别编程。CC2530采用IAR Embedded Workbench进行开发，所选用Z-Stack是ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0[6]。单片机采用Keil C51（uVision3）编程。
    手持式校准器是以路由器（Router）的形式加入到无线传感网络中，所以CC2530烧录程序时EW的工程选择RouterEB。CC2530主要负责加入无线传感网络后数据的转发，包括搜寻网络子程序、入网子程序、无线数据接收处理子程序、串口数据接收处理子程序等，CC2530的总体程序流程图如图4所示。

    单片机负责发送各种命令、接收数据的存储和显示、触摸屏不同界面的触摸处理、时间和日期的更改和显示等。单片机的主文件中包含串口数据接收处理子程序、触摸屏处理子程序和时间日期选择显示子程序等，单片机串口数据接收处理程序流程图如图5所示，当显示平均误差后，如果点击触摸屏的“发送”，则单片机会将包含平均误差的校准命令发送给协调器，由协调器转发给校准的气象传感器；如果点击“菜单”，则进入下一菜单，此时点击“打印”，单片机会将存储的传感器数据、标准器数据和平均误差发送给无线打印机打印。
4 实验结果分析
    选用自动气象站的气温传感器进行测试。将福禄克的铂电阻温度计作为标准器，放在被测气温传感器的接近位置,稳定15 min以后开始采集气温传感器和标准器的数据，采集频率为1次/min，发送校准命令前的数据如表1所示，发送校准命令后的数据如表2所示。

    由表1和表2可以看出，经过比对并发送校准命令后，被测气温传感器的平均误差由原来的0.27 ℃降低到0.06 ℃，满足了气温传感器最大容许误差在±0.2 ℃的要求。如果通过便携式校准器再产生一个标准的温度源，则可以求出温度计的量程校准系数来实现量程校准。
    基于无线传感器网络的手持式校准器，在试验中可以每一秒接收一次传感器发送的数据。采用了表面焊接的集成电路，其体积只有普通手机大小，可校准基于无线传感器网络的自动气象站中的所有气象传感器。该手持式校准器具有体积小、携带方便、功耗低、操作简单等特点。
参考文献
[1] AKYILDIZ I F,SU W,SANKARASUBRAMANIAM Y，et al.  Wireless sensor networks：a survey[J].Computer Networks，2002，38：393-341.
[2] Texas Instruments.CC2530 Datasheet，2009.
[3] 张大明.单片机控制实训指导及综合应用实例[M].北京：机械工业出版社，2007：152-154.
[4] 周杏鹏.传感器与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2010：32-56.
[5] 郑峰，王巧芝，陈绘兵，等.51单片机应用系统典型模块开发大全[M].北京：中国铁道出版社，2010：273-293.
[6] Texas Instruments.Upgrading To Z-Stack v2.3 Datasheet，2010.