基于ＣＣ２５１０的星形無(wú)線網(wǎng)絡(luò)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆傳平　王　斌　吳　昊　黃家鵬

[摘要]設(shè)計(jì)以CC2510無(wú)線單片機(jī)構(gòu)架的星狀拓?fù)錈o(wú)線網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),以多個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹CC2510、DS18B20的功能特點(diǎn),并詳細(xì)介紹溫度采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)有多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)數(shù)據(jù)中心和一臺(tái)電腦組成,單獨(dú)工作的終端節(jié)點(diǎn)能夠連續(xù)多點(diǎn)測(cè)溫,并且通過(guò)顯示電路顯示顯示,整個(gè)系統(tǒng),通過(guò)傳感器的編號(hào)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的位置實(shí)現(xiàn)區(qū)域的溫度的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控,且能夠通過(guò)串口連接到電腦進(jìn)行操作,具有高精度,自動(dòng)化,多功能,高度的可擴(kuò)展性以及低功耗等特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]星狀拓?fù)?無(wú)線 CC2510 DS18B20 低功耗

中圖分類號(hào):TN99文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920053-02

一、引言

無(wú)線溫度采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)由CC2510無(wú)線單片機(jī)[1]外接DS18B20一線式數(shù)字溫度傳感器和一個(gè)3位八段數(shù)碼管顯示電路組成。節(jié)點(diǎn)由電池供電,并且可以通過(guò)外部中斷觸發(fā),使其工作于低功耗模式。每一個(gè)DSl8B20包括一個(gè)唯一的64位長(zhǎng)的序號(hào),通過(guò)對(duì)序列號(hào)與地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系,就可以獲取某地的實(shí)時(shí)的溫度情況,最后由一個(gè)終結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)诫娔X,實(shí)現(xiàn)區(qū)域的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)可以配合終結(jié)點(diǎn)使用,也可以單獨(dú)使用,用于測(cè)試該點(diǎn)的溫度。

二、系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)硬件由連接到多個(gè)數(shù)據(jù)終端的星形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)合一個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)[2,3]以及電腦終端構(gòu)成。每個(gè)數(shù)據(jù)終端則包括了天線、顯示電路等。

(一)整體框圖

無(wú)線溫度采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1,主要把包括射頻天線、鍵控開(kāi)關(guān)、顯示模塊、DS18B20溫度傳感器、CC2510終結(jié)點(diǎn)以及終端的串口通信程序。圖中所畫的基本模型為兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)與電腦的通信,無(wú)線信道采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),工作于2.4GHz免費(fèi)頻段。

(二)單片機(jī)

系統(tǒng)選用CC2510無(wú)線單片機(jī)。其連接圖見(jiàn)圖2。CC2510是由Chipcon公司開(kāi)發(fā)的內(nèi)嵌51內(nèi)核的單片可編程UHF收發(fā)器芯片,它還內(nèi)嵌32kB的Flash存儲(chǔ)器、4kB的SRAM,以及8通道8-14bitA/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器、2個(gè)UART/SPI、RTC、看門狗電路、DES編碼和21個(gè)通用I/O。芯片的高度集成結(jié)構(gòu)使其具有高速度、高靈敏度性、低功耗、低成本、集成單片機(jī)和位判決、同步、頻率靈活性等特點(diǎn)。本電路采用9V電池供電,以方便外圍芯片的供電。再有LM1117轉(zhuǎn)換成3.3V和5V的直流電源。并帶有外設(shè)接口,可以方便的進(jìn)行硬件的升級(jí),以及添加多種傳感器。

(三)溫度傳感器

本系統(tǒng)采用了一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比,它能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式,可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量,并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫,溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線,總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電,而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單,可靠性更高。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn),給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。它有獨(dú)特的單線接口方式:DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器DS18B20的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件?？捎脭?shù)據(jù)線供電,電壓范圍:+3.0V～+5.5V。測(cè)溫范圍:-55℃～+125℃。通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。負(fù)壓特性,電源極性接反時(shí),溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。

(四)顯示電路

八段數(shù)碼管和鍵控開(kāi)關(guān)是進(jìn)行人機(jī)交互的重要手段。八段數(shù)碼管的功耗很低,比較適合電池供電的而應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)它們,數(shù)據(jù)可以顯示無(wú)線單片機(jī)的工作狀態(tài),并且使得每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可以在當(dāng)?shù)丶纯勺x取溫度值,增加了數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)的功能。由于CC2510的GPIO口較少,我們只采用了兩個(gè)鍵控開(kāi)關(guān),直接與GPIO口相連,通過(guò)查詢方式獲得數(shù)據(jù)。

(五)系統(tǒng)終結(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)由一個(gè)基本的終端節(jié)點(diǎn)電路和串口電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)直接與電腦串口相連,通過(guò)電腦的串口可以方便的接收來(lái)自于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選擇波特率為57600bps,通過(guò)特定的幀格式識(shí)別數(shù)據(jù)。將溫度與傳感器編號(hào)一一對(duì)應(yīng),通過(guò)查找事先存儲(chǔ)在電腦上的地名與傳感器編號(hào)的匹配,更新各地的溫度情況,然后在圖中顯示出來(lái)。對(duì)于超過(guò)臨界值的溫度地點(diǎn),給予紅色警報(bào)提示,提醒管理員做適當(dāng)操作。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分,第一部分是單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要由溫度采集、低功耗設(shè)計(jì)、LED顯示、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送組成。第二部分由低功耗設(shè)計(jì)、無(wú)線數(shù)據(jù)接收和串口通信模塊組成。第三部分是電腦的串口編程,主要完成數(shù)據(jù)的識(shí)別,傳感器編碼與地址的匹配,以及溫度信號(hào)的處理、存儲(chǔ)等功能。

(一)溫度采集

該系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器,可提供最高12位數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.0625℃,測(cè)溫范圍-55℃～+125℃。每次測(cè)溫前,必須先對(duì)其進(jìn)行初始化,由于是一線式的,因此要求非常精確的時(shí)延。溫度的讀寫是按位讀取的。本系統(tǒng)選擇12為數(shù)據(jù)。首先編寫初始化程序,其次是按位寫子程序與按位讀程序。然后通過(guò)調(diào)用按位寫程序?qū)懭肟刂谱?開(kāi)始測(cè)試溫度,并將結(jié)果存入寄存器,再調(diào)用按位讀程序,逐個(gè)讀出溫度。最后通過(guò)把個(gè)個(gè)位的數(shù)據(jù)組成長(zhǎng)整形的數(shù)據(jù),以便一次性轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù),方便讀出十位,個(gè)位以及十分位的數(shù)據(jù),一邊傳送。

值得注意的是,一定要計(jì)算時(shí)每個(gè)延時(shí)程序的精確的調(diào)用時(shí)間,包括程序調(diào)用自身所用的時(shí)間,最好每個(gè)時(shí)延都用示波器測(cè)試一下,看是否符合要求。

(二)LED顯示

LED顯示部分主要是顯示其編碼號(hào)和實(shí)時(shí)溫度。要實(shí)現(xiàn)LED的正常顯示至少需要下面幾個(gè)重要步驟:選擇LED驅(qū)動(dòng)模式、制定相應(yīng)驅(qū)動(dòng)模式下LED的BCD碼顯示存儲(chǔ)表、設(shè)置LED時(shí)鐘、設(shè)置通用I/O端口屬性和更新LED顯示緩存區(qū)。本系統(tǒng)選擇靜態(tài)LED驅(qū)動(dòng)模式,制定了0～F的BCD碼顯示存儲(chǔ)表,采用1024Hz的時(shí)鐘頻率,設(shè)置通用I/O口屬性為輸出,根據(jù)不同功能實(shí)時(shí)更新LED顯示緩存區(qū)的內(nèi)容。

(三)無(wú)線收發(fā)

CC2510使用的2.4GHz的免費(fèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源,不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的開(kāi)銷。通過(guò)調(diào)用射頻初始化程序,設(shè)定頻率,然后向無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器按位寫入數(shù)據(jù),逐位發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端則通過(guò)判斷接收寄存器指示為判斷是否有數(shù)據(jù)寫入,如有則讀出,并將指示位置位。這樣就完成了數(shù)據(jù)的逐為傳輸。

四、結(jié)束語(yǔ)

本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控,并且可以在節(jié)點(diǎn)處顯示實(shí)時(shí)溫度,在同類產(chǎn)品中還從未出現(xiàn)過(guò)類似功能。用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?使組網(wǎng)更加方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,線路清晰。同時(shí),本系統(tǒng)工作穩(wěn)定,精度高,并且方便擴(kuò)展,通過(guò)外接不同的擴(kuò)展板就可以實(shí)現(xiàn)多種的物理參數(shù)的監(jiān)控,可用于溫室大棚溫度濕度監(jiān)控以及多種工業(yè)控制,且成本低廉。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使節(jié)點(diǎn)設(shè)置更加方便靈活,且?guī)в泄?jié)能模式[4],可低功耗運(yùn)行,延長(zhǎng)了一次性的使用時(shí)間。且CC2510有多種組網(wǎng)方式,靈活方便,可隨時(shí)增加或者減少節(jié)點(diǎn)而對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何影響,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的節(jié)點(diǎn)分布測(cè)量。

參考文獻(xiàn):

[1]李文仲、段朝玉等,cc1110/cc2510無(wú)線單片機(jī)和無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]基于CC2431的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù),2008.

[3]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)定位的節(jié)點(diǎn)選擇策略[J].中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù),2009.

[4]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)SMAC協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)[J].中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù),2008.

作者簡(jiǎn)介:

閆傳平(1987-),男,漢族,2006級(jí)本科生,主要研究方向:現(xiàn)代通信技術(shù)。