基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，隨著微機電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知行業(yè)的一場變革?；诖?，設(shè)計實現(xiàn)了一種以CC24 30為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，傳感器模塊包括有溫濕度傳感器SHTll、紅外傳感器BS520、光照度傳感器PGM5506。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對周圍環(huán)境的溫度、濕度、光、加速度等信息進行監(jiān)控和管理的技術(shù)。這種無線傳感器節(jié)點中內(nèi)置了傳感器、傳感器控制電路、CPU、無線通信模塊、天線、電源裝置等，通過Ad-Hoc通信技術(shù)，可以與周圍的傳感器節(jié)點一起把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。本文介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個匯聚節(jié)點和多個傳感器節(jié)點組成，通過匯聚節(jié)點上傳到遠(yuǎn)程主機。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計
    CC2430是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。CC2430只需要很少的外接元件就可以運行，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。圖2為CC2430基本電路設(shè)計。

    圖2中C1，C2為22pF的電容，連接32 MHz的晶振電路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4為15 pF的電容，連接32．768 kHz的晶振電路，此石英晶振用于休眠時工作，從而降低功耗。C5=O．1μF，用于去除一些雜波干擾，防止單片機錯誤復(fù)位。C6～C8分別為100 nF，220n F，220 nF，用作濾波，去除雜波干擾使電壓更穩(wěn)定。C9=5．6 pF，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1，L2，L3以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求，L1，L2，L3分別為8．2 nH，22 nH，1．8 nH。C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。偏置電阻器R1，R2分別為43 kΩ，56 kΩ，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流。
    由于CC2430芯片具有低功耗的特性，選用2節(jié)2 800 mAh的干電池為節(jié)點機供電。天線選用外置天線。
    CC2430與溫濕度傳感器SHTll，光照度傳感器PGM5506，紅外傳感器BS520連接原理圖如圖3所示，其中P0．O，P0．1，P0．6，P1．2和P1．3為CC2430的I／O端口。

    SHTll采用兩線串行線和處理器進行數(shù)據(jù)通信，SCK數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和SHTll的通訊同步；DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻將信號提拉至高電平，圖3顯示CC2430的引腳P1．2用于SCK，P1．3用于DATA。
光照度傳感器PGM5506實際就是一個光敏電阻，隨著周邊環(huán)境的光量而改變電阻值，從而輸入3 V電壓受到隨著光量而變化的光敏電阻的影響，因而輸出電壓值改變。在測定輸出電壓值的LIGHTOUT中，可以根據(jù)變化的電壓量感知光量。圖3顯示CC2430的引腳P0．0連接LIGHT OUT。紅外傳感器BS520，隨著紅外線的強弱輸出A／D也變化，因此CC2430處理器可以根據(jù)輸入的電流變化量來測定紅外線值。圖3顯示CC2430的引腳PO．1連接INFRARED ADC。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件的設(shè)計
    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件包括傳感器的數(shù)據(jù)采集及無線通信。數(shù)據(jù)采集包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、紅外傳感器，由于光照度傳感器、紅外傳感器數(shù)據(jù)的采集就是直接將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，軟件設(shè)計相對簡單，下面只以溫濕度傳感器SHTll為例介紹數(shù)據(jù)采集軟件。無線通訊采用ZigBee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器以及協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。
3．1 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊
    溫濕度傳感器SHTll采用串行接口，但是在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理。SCK用于CC2430與SHTll之間的通訊同步，DATA雙向串行通信線可寫命令和讀數(shù)據(jù)?？刂屏鞒虉D如圖4所示。首先進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測量命令。SHTll接收命令測量數(shù)據(jù)后處理器來讀取數(shù)據(jù)。

3．2 無線通信模塊
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)?。本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為TI協(xié)議棧。對協(xié)議棧進行了適當(dāng)?shù)男薷暮驮鰷p以適應(yīng)硬件電路的實際應(yīng)用，組成樹狀傳感器網(wǎng)絡(luò)。

    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖5所示，首先初始化CC2430，之后初始化協(xié)議棧，然后創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)，并確定PANID與頻道選擇。打開全局中斷之后程序開始進入應(yīng)用程序，監(jiān)測空氣中有無ZigBee信號，如果有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。同樣如果終端設(shè)備發(fā)送來的是傳感器測試數(shù)據(jù)值，并從串口發(fā)送給遠(yuǎn)程主機。

    傳感器節(jié)點程序流程圖如圖6所示，程序同樣首先初始化CC2430，之后初始化協(xié)議棧，并打開全局中斷。開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待協(xié)調(diào)器響應(yīng)，如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，傳感器進入休眠狀態(tài)，如果不成功就繼續(xù)申請加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)成功之后，溫濕度采集節(jié)點就定時采集數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送，如果發(fā)送成功，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，如果發(fā)送失敗，繼續(xù)發(fā)送當(dāng)前溫度值。

4 實驗結(jié)果
    系統(tǒng)的各個節(jié)點硬件采用模塊化設(shè)計，CC2430底板模塊實物如圖7所示，傳感器模塊如圖8所示。在天氣晴朗空曠的地方，測得ZigBee節(jié)點之間的傳輸距離能達到50～70 m，工作在室內(nèi)條件下有效傳輸距離能達到30 m左右。通過主機上的串口收發(fā)軟件監(jiān)視采集到的實時溫度信息，能夠很好地實現(xiàn)溫度信息的讀取。監(jiān)視到的溫度如圖9所示。

5 結(jié)語
    通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計和對CC2430的了解，ZigBee技術(shù)未來的應(yīng)用前景被看好。未來的幾年里，它將在工業(yè)控制、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。