面向應(yīng)用型高校的無線傳感網(wǎng)課程實驗平臺的設(shè)計

李雙 潘毅 尤越 秦宏

摘要：針對應(yīng)用型高校無線傳感網(wǎng)實踐教學(xué)和創(chuàng)新訓(xùn)練的需求，設(shè)計了一套基于CC2530的實驗平臺和教學(xué)方案，詳細的闡述了ZigBee無線傳感網(wǎng)實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)，軟件開發(fā)方法和教學(xué)方案。該實驗平臺基于8051核，采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，案例化的教學(xué)方案和項目設(shè)計，可使學(xué)生快速上手，較快的掌握ZigBee無線傳感網(wǎng)的技術(shù)要點，有效的提高學(xué)生對無線傳感網(wǎng)的開發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型高校；ZigBee；無線傳感網(wǎng)；CC2530；實驗平臺

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）17-0142-02

Abstract：In view of the practice teaching in application-oriented universities and the innovation training requirements， a set of wireless sensor networks based on CC2530 experimental platform and teaching scheme is designed.We detailedly elaborate the ZigBee wireless sensor network experiment platform of hardware structure， software development method and the teaching scheme. Based on 8051 core， the experimental platform adopts the modular hardware structure. the case study of teaching plan and project design， which can make students to quickly grasp the technical points of ZigBee wireless sensor network and effectively improve students' development ability of wireless sensor network.

Key words：Application-oriented Universities； ZigBee； Wireless Sensor Networks； CC2530； Experimental platform

近年來，隨著MEMS技術(shù)、無線通信和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，推動了無線傳感網(wǎng)的誕生和發(fā)展。無線傳感網(wǎng)涉及眾多IT技術(shù)，成為目前眾多研究人員關(guān)注的熱點之一。我國也在2000年左右啟動了傳感網(wǎng)的研究工作，2009年，前國家總理溫家寶視察了中科院物聯(lián)網(wǎng)感知中心，提出感知中國的概念。隨后，無線傳感網(wǎng)的研究在全國范圍內(nèi)鋪開。上海、無錫等城市都相繼成立物聯(lián)網(wǎng)研究中心。國內(nèi)眾多高校則成立了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院或者物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。

作為一所應(yīng)用型研究大學(xué)，重慶理工大學(xué)的電子與電氣工程學(xué)院相關(guān)教師也開展了無線傳感網(wǎng)的研究，并在通信工程專業(yè)開設(shè)了《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程，在電子信息工程專業(yè)開設(shè)《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程（以下在不引起混淆的情況下，將這兩門課程統(tǒng)稱為《無線傳感網(wǎng)》課程）。2015年，我校對通信工程和電子信息工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案修訂中，將這兩門課程的學(xué)時數(shù)由原來的32學(xué)時調(diào)整為40學(xué)時，并包含了8學(xué)時的課內(nèi)實驗。并且，將《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程調(diào)整為通信工程專業(yè)必修課。

我校傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程的開設(shè)反映了我校在電子信息類專業(yè)教學(xué)改革中的與時俱進，增加實驗課程則契合了我校建立高水平應(yīng)用研究型大學(xué)的目標。但是學(xué)校關(guān)于《無線傳感網(wǎng)》的實驗條件還不能滿足電子信息類本科生的實驗需求。目前，《無線傳感網(wǎng)》實驗課主要依托于學(xué)校2016年剛建成的電子與通信實驗中心，該中心可以為無線傳感網(wǎng)提供實驗條件的主要有約40臺智能小車，該小車雖配備有ZigBee模塊和傳感模塊，但核心控制器為STM32控制器。學(xué)習(xí)該課程的大部分學(xué)生基于單片機的C語言編程基礎(chǔ)較差，更無法完成基于STM32控制器的無線傳感網(wǎng)實驗。因此，為了給學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生提供更加適合的實驗條件，本項目擬基于TI公司的CC2530芯片，開發(fā)一套無線傳感網(wǎng)的實驗平臺。由于CC2530是基于ZigBee協(xié)議 + 8051核的一款無線單片機，該實驗平臺的開發(fā)和建立降低了單片機開發(fā)的難度，讓學(xué)生可以把精力集中放在無線傳感網(wǎng)的實驗上，更利于無線傳感網(wǎng)的學(xué)習(xí)和實踐。該實驗平臺的建立還可以為電子信息類相關(guān)專業(yè)提供課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的實驗平臺。

1 實驗平臺硬件設(shè)計

該實驗平臺硬件主要包括無線單片機模塊和常用傳感器模塊。無線單片機模塊主要由CC2530構(gòu)成，CC2530是由8051核和無線ZigBee構(gòu)成，可以完成外設(shè)的控制和數(shù)據(jù)的無線傳輸。由于其內(nèi)核為8051，所以是以大多數(shù)應(yīng)用型高校的本科生都熟悉的51單片機的編程，使得學(xué)生更容易上手。而ZigBee協(xié)議棧在互聯(lián)網(wǎng)上資料眾多，可為學(xué)生提供參考。本實驗平臺也可為實驗人員提供軟件例程。

傳感器模塊主要包括了常用的溫濕度傳感器、光強度傳感器等。溫濕度傳感器采用的是DHT11，在其正常工作時溫度測量范圍為0℃～50℃，測溫精度為±2℃，分辨度為1℃；濕度的測量范圍為20～90%RH，測濕精度為±5%RH，分辨度為1%RH。光強度傳感模塊為GY-30數(shù)字光模塊，該模塊的核心是BH1750FVI光感應(yīng)元件，它是一個支持I2C接口的元件，但是由于CC2530里面沒有I2C總線，所以在使用的時候，需要模擬I2C，SDL和SCL與CC2530的其中兩個通用I/O口相連即可，通過編程來實現(xiàn)模擬。BH1750FVI的光照度范圍為0-65535Ix，自帶16位AD裝換器，可直接輸出數(shù)字，省略了計算。作為主流光感應(yīng)元件，它具有對光源依賴性不大、光譜范圍與人眼相近、高精度等特性，體積小成本低，其供電電壓范圍為3-5V，可與CC2530相配合。

其他模塊還包括電源模塊、串口模塊、發(fā)光二極管模塊、按鍵模塊等。串口采用RS-232九針串口和MAX3232CSE芯片結(jié)合與電腦通信，可用于程序的調(diào)試。發(fā)光二極管顯示模塊由發(fā)光二極管和分壓電阻組成，也可用于顯示程序是否正常運行和程序調(diào)試。獨立按鍵模塊為四腳按鍵，模塊帶上拉電阻，與發(fā)射模塊相連接，該模塊分兩路，一路用于復(fù)位，一路用于程序調(diào)試。

每一個單獨的實驗平臺可以作為一個終端節(jié)點，參與到組網(wǎng)的過程中，構(gòu)成無線傳感網(wǎng)。比如可由每個傳感節(jié)點采集節(jié)點所在地方的溫度，并通過ZigBee協(xié)議傳輸?shù)街行墓?jié)點，由中心節(jié)點判斷是否有異常?？梢赃M行簡單的星型組網(wǎng)和多跳網(wǎng)絡(luò)。

為提高實驗平臺的通用性，采用了模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，傳感器終端可根據(jù)不同的功能需求來與CC2530模塊的拓展接口相連。

2 軟件設(shè)計與教學(xué)案例

該實驗教學(xué)平臺軟件設(shè)置分三個層次，第一層次是CC2530的接口實驗，了解與掌握CC2530每個接口的功能與使用；第二層次是利用傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)與分析即溫濕度和光照強度數(shù)據(jù)的采集與分析；第三層次是傳感網(wǎng)實驗設(shè)計，進行節(jié)點組網(wǎng)，數(shù)據(jù)的采集與無線傳輸。第一層次到第三層次，難度循序漸進。利用軟件IAREW8051-8.1搭建開發(fā)環(huán)境和編寫下載程序，用CC Debugger進行在線程序調(diào)試。下面對軟件可進行的實驗進行簡單的梳理，如表1所示。

對于實驗學(xué)時數(shù)不夠的情況，可以選擇其中的部分實驗進行開設(shè)。

3 結(jié)束語

本文面向應(yīng)用型高校的無線傳感網(wǎng)實驗課程，設(shè)計了一個實驗平臺，基于該實驗平臺可以完成無線傳感網(wǎng)課程的相關(guān)實驗。該實驗平臺的設(shè)計，采用8051核單片機，降低了程序開發(fā)的難度，特別適合應(yīng)用型高校的開設(shè)無線傳感網(wǎng)課程的學(xué)生。