基于CC2530的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶曉立　高小龍

摘要：針對傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)存在的各種不足，例如測量準(zhǔn)確率低、有線傳輸、測量線路復(fù)雜等問題，該文設(shè)計(jì)了基于CC2530的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案選用DS18B20芯片作為溫度采集模塊，選用CC2530作為主控芯片實(shí)現(xiàn)模塊控制、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度信息的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸，具有體積小、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫度采集；CC2530；DS18B20

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0215-03

Abstract： Aiming at all kinds of traditional temperature acquisition system， problems such as low accuracy， measurement， measurement of cable transmission line is complex， the design scheme of wireless temperature acquisition system based on CC2530. It chooses the DS18B20 chip as the temperature collection module， using CC2530 chip as the master control module， wireless data transmission function. The experimental results show that： the real-time acquisition and wireless transmission. The system can achieve the temperature information， has the advantages of small size， high accuracy， real-time performance.

Key words： wireless sensor network； temperature collection； CC2530； DS18B20

溫度采集和測量在日常生活中有很重要作用， 當(dāng)前主要還是以溫度傳感器作為主要測量手段， 如熱敏電阻、熱電偶以及一些數(shù)字傳感器等。在傳送過程中， 仍然以有線傳輸為主。所以傳統(tǒng)方法只適用于對測量要求要求不太高的場合[1]。針對這一問題， 本文設(shè)計(jì)了基于CC2530的無線溫度采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

在無線溫度采集系統(tǒng)中，對系統(tǒng)的低功耗、精確度、實(shí)時(shí)性有較高要求，通過對藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)的研究，選用以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)的ZigBee技術(shù) [2]，ZigBee 是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA 和GSM 網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m 到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。同時(shí)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及其特點(diǎn)，完成了硬件和軟件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)測試，建立了一套實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)[3]。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

根據(jù)系統(tǒng)的總體分析，利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為溫度采集、接收、數(shù)據(jù)顯示三個(gè)模塊。系統(tǒng)的工作原理是：溫度采集模塊對環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后把采集到的溫度信息通過射頻發(fā)送到協(xié)調(diào)器模塊上，最后協(xié)調(diào)器模塊通過RS232總線傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本文以CC2530芯片為核心芯片[4]，完成溫度信息的采集和發(fā)射功能；以DS18B20芯片作為溫度采集模塊，對環(huán)境溫度進(jìn)行采集；協(xié)調(diào)器對采集到的溫度信息進(jìn)行接收，在上位機(jī)上通過串口調(diào)試軟件SSCOM顯示采集到的溫度信息。其硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 溫度采集模塊

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠提供9-12位攝氏溫度測量，并且有一個(gè)由高低電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報(bào)警功能。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得DS18B20很受歡迎。它的測溫范圍為-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度為±5℃。除此之外，DS18B20能直接從單線通訊線上汲取能量，除去了對外部電源的需求。

DS18B20的引腳接口圖2所示

其中1為接地接口，2位數(shù)字接口，用來信號的輸入輸出，3為電源接口。

2.3 接收模塊

接收模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為系統(tǒng)的核心器件。CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過較低的材料成本。CC2530具有優(yōu)良的RF收發(fā)器性能，具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程內(nèi)存，8-Kb RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。其外圍電路如圖3所示。

2.4 顯示模塊

顯示系統(tǒng)接到PC機(jī)上，通過串口調(diào)試軟件SSCOM顯示數(shù)據(jù)信息。

2.5 電源模塊

在電源選擇時(shí)主要考慮采集節(jié)點(diǎn)的低功耗，本設(shè)計(jì)選用3.3V的鋰離子電池作為電源，由于系統(tǒng)功耗低的特點(diǎn)，鋰離子電池足以完成系統(tǒng)的長期供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)[6，7]。溫度采集模塊能夠采集節(jié)點(diǎn)溫度并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器模塊上。溫度采集模塊是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，它們之間不能通信，只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通訊。終端節(jié)點(diǎn)加電后，首先完成CC2530芯片的初始化工作，并對定時(shí)器和終端進(jìn)行設(shè)置，然后啟動DS18B20進(jìn)行溫度信息的采集，把采集到的信息通過射頻發(fā)送；如果協(xié)調(diào)器收到發(fā)送的信息，終端節(jié)點(diǎn)需要再次發(fā)送；如果協(xié)調(diào)器沒有收到發(fā)送的信息，則關(guān)閉電源，終端節(jié)點(diǎn)停止工作，等待下一次溫度的采集和發(fā)送。最后協(xié)調(diào)器把溫度信息發(fā)送至PC機(jī)。

系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

4 功能測試

4.1 硬件、軟件準(zhǔn)備

首先連接溫度采集終端模塊，把鋰離子電池、XWWK-CC2530A 模塊連接，溫度傳感器DS18B20集成在XWWK-CC2530A 模塊上。然后連接接收設(shè)備，把XWWK-CC2530A 模塊、專用主板通過過MiniUSB 線連接計(jì)算機(jī)，安裝好驅(qū)動。在計(jì)算機(jī)上通過IAR Embedded Workbench 7.51A軟件對溫度接收模塊和接收模塊進(jìn)行程序燒錄，寫入程序方法如下：

打開IAR Embedded Workbench軟件，并打開 Workspace，選擇試驗(yàn)工作空間文件cc2530_sw_examples.eww，如圖5所示：

選擇要試驗(yàn)的工程，本次試驗(yàn)共需要兩個(gè)工程：分別是傳感器采集模塊SensorDataTX 和數(shù)據(jù)接收模塊DataRX，如圖6所示。

編譯工程文件，選擇Project – 〉Rebuild All，編譯若沒有錯(cuò)誤，按下Debug，將程序?qū)懭胂鄳?yīng)的模塊。SensorDataTX 工程寫入傳感器底板模塊，數(shù)據(jù)接收模塊DataRX寫入紅色主板模塊。

4.2 測試結(jié)果

把接收端模塊通過MiniUSB 線連接計(jì)算機(jī)，安裝好驅(qū)動，形成串口號。打開串口調(diào)試助手如圖7所示，選擇剛剛安裝的虛擬USB串口號，波特率57600，其它設(shè)置參考圖7。

將另外一個(gè)模塊插入傳感器底板（綠色），打開電源開關(guān)，每隔3s左右，會自動上傳一次溫度數(shù)據(jù)。使用手指捏住溫度傳感器一會，溫度會明顯上升。

5 結(jié)束語

本文對基于CC2530無線溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路，各個(gè)模塊的組成原理，并分別設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件和硬件，完成了系統(tǒng)的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠完成對溫度的實(shí)時(shí)采集，具有體積小、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)；完成了系統(tǒng)功能測試，同時(shí)使系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更加方便、經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧中華.基于ZigBee 的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2011， 33（6）：164-167.

[2] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009： 27-30.

[3] Zhu X J，Ying S D，Ling L.Multimedia sensor networks design for smart home surveillance[C]//2008 Chinese Control and Decision Conference，2008：431-435.

[4] 馮 禹，孔祥金，林語，等.基于CC2530的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用， 2013（7）：40-42.

[5] 張軍.智能溫度傳感器DS18B20 及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2010（4）：68-70.

[6] 賴麒文.單片機(jī)C語言軟件設(shè)計(jì)的藝術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002：56-60.

[7] 李正民，張興偉，柳宏川.基于CC2530的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013， 32（5）：25-28.