基于CC2430和DS18B20的無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    目前，很多場合的測溫系統(tǒng)采用的還是有線測溫設(shè)備，由溫度傳感器、分線器、測溫機(jī)和監(jiān)控機(jī)等組成，各部件之間采用電纜連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高，可采用無線方案解決這些問題。無線測溫系統(tǒng)是一種集溫度信號采集、大容量存儲、無線射頻發(fā)送、LED（或LCD）動(dòng)態(tài)顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統(tǒng)。

本文從低功耗、小體積、使用簡單等方面考慮，基于射頻SoC CC2430和數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了一個(gè)無線測溫系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)和1個(gè)基站組成。無線節(jié)點(diǎn)工作在各個(gè)測溫地點(diǎn)，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送。基站與多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，并通過數(shù)碼管將數(shù)據(jù)顯示出來，同時(shí)可以通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC。

CC2430簡介
CC2430是TI/ChipconAs公司最新推出的符合2.4G IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器.利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2430的主要性能參數(shù)如下： 

　　 (1)工作頻帶范圍：2.400～2.483 5 GHz；　　(2)采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式； 

　　(3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbit/s碼片速率達(dá)2 MChip/s； 

　　(4)采用o-QPSK調(diào)制方式； 

　　(5)超低電流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收靈敏度（-99 dBm）； 

　　(6)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39 dB)； 

　　(7)內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器　采用低電壓供電(2.1～3.6V)； 

　　(8)輸出功率編程可控； 

　　(9)IEEE802.15.4 ＭＡＣ層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC－MAC,CCM)； 

　　(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)； 

　　(11)采用QLP-48封裝，外形尺寸只有７×７ｍｍ。CC2430只需要極少的外圍元器件，其典型應(yīng)用電路 如圖２所示。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3個(gè)部分。 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，有晶振1為基于CC2430芯片的ZigBee在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用 32 MHz, 晶振2為32.768 kHz。 射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為60 Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。
CC2430可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式　并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)　讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。注意：在SPI總接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。

　　CC2420片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器,在每個(gè)寄存器的讀／寫周期中,SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù),分別為:1比特RAM／寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀／寫控制位(0:寫，1:讀),6比特地址選擇位、16比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外,通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì),通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。CC2430先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換,每個(gè)字節(jié)被分組為兩個(gè)符號,每個(gè)符號包括4個(gè)比特LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號用32碼片的偽隨機(jī)序列表示,共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機(jī)序列。經(jīng)過DSSS擴(kuò)頻變換后,碼片速率達(dá)到2Mchips/s，此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制,每個(gè)碼片被調(diào)制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏?兩通道延時(shí)為半個(gè)碼片周期。

　　CC2430為IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為　頭幀＋數(shù)據(jù)幀＋校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為,同步幀＋PHY頭幀＋MAC幀,幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變。可以采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

DS18B20概述

DS18B20是美國DALLAS公司的“單總線”數(shù)字溫度傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、無須外接元件、用戶可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度等特點(diǎn)?！皢慰偩€”結(jié)構(gòu)獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)，采用一根I/O數(shù)據(jù)線既可供電又可傳輸數(shù)據(jù)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。

3引腳封裝的DS18B20形如一只三極管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器和配置寄存器。此外，還有電源檢測模塊、存儲和控制邏輯器、中間結(jié)果緩存器和8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器。

ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，可以看作該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號均不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20內(nèi)部的RAM由9個(gè)字節(jié)的高速緩存器和E2PROM組成，數(shù)據(jù)先寫入高速緩存器，經(jīng)校驗(yàn)后再傳送給E2PROM。通過DS18B20功能命令對RAM進(jìn)行操作。

DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～125℃,在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，可編程設(shè)定9～12位的分辨率，默認(rèn)值為12位，轉(zhuǎn)換12位溫度信號所需時(shí)間為750ms（最大）。檢測溫度由2字節(jié)組成，字節(jié)1的高5位S代表符號位，字節(jié)0的低4位是小數(shù)部分，中間7位是整數(shù)部分。

無線測溫系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

無線測溫系統(tǒng)主要可分為基站和無線節(jié)點(diǎn)兩大部分。每套系統(tǒng)一般只有1個(gè)基站，包括微控制器及射頻收發(fā)單元、顯示單元、報(bào)警單元、電源模塊及接口單元，主要硬件連接。

接口單元是為了方便射頻模塊和PC的通信，通常可采用RS-232接口、USB接口、以太網(wǎng)接口等，其中，RS-232接口是目前PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。本文使用RS-232接口，采用MAX3221芯片實(shí)現(xiàn)RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX3221是MAXIM公司生產(chǎn)的一種RS-232接口芯片，使用單一電源電壓供電，電源電壓在3.0～5.5V范圍內(nèi)都可以正常工作。

基站接收到數(shù)據(jù)后，將溫度信息通過數(shù)碼管（或液晶顯示屏）顯示出來，根據(jù)需要，還可以通過RS-232接口與PC進(jìn)行通信。為簡化系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)直接用CC2430的I0口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，但是I0口不具備數(shù)據(jù)保持能力，需要外接一定大小的上拉電阻，顯示方法采用掃描法。采用一個(gè)蜂鳴器作為報(bào)警裝置，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍時(shí)，鳴叫報(bào)警。射頻天線采用單鞭天線。

無線節(jié)點(diǎn)分布在溫度采集點(diǎn)，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、射頻CC2430、天線及電池組成。在實(shí)際應(yīng)用中，可以有多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，它們與基站之間通過射頻進(jìn)行無線通信。DS18B20有寄生電源和外部電源兩種供電方式，本文采用外部供電方式，VDD引腳直接連接外部電源。DS18B20在空閑時(shí)，其D1腳由上拉電阻置為高電平。無線節(jié)點(diǎn)的天線根據(jù)實(shí)際需要可選用單鞭天線,陶瓷天線或PCB印制天線
基于CC2430和DS18B20的無線測溫系統(tǒng)工作原理及ZigBee網(wǎng)絡(luò) 

　　 在系統(tǒng)中的工作架構(gòu)無線溫度信號控制系統(tǒng)的管理模式就是集中管理，分級控制，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，按實(shí)際現(xiàn)狀先進(jìn)行單個(gè)用戶的自適應(yīng)協(xié)調(diào)，然后是主干線的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)的分級控制，最終達(dá)到區(qū)域控制的系統(tǒng)最優(yōu)?！　?nbsp;
　　　　
基于CC2430和DS18B20的無線測溫的系統(tǒng)，系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 

　　 (1)整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊具有高集成度、高可靠性和低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)，維護(hù)保養(yǎng)十分方便，只需更換相應(yīng)節(jié)點(diǎn)即可，避免了傳統(tǒng)控制線路本身帶來許多麻煩，從而大大減少了設(shè)備購置成本，建設(shè)安裝成本和系統(tǒng)維護(hù)成本。 

　　（2）卓越的物理性能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所使用的無線頻率是國際通用的免費(fèi)頻段(2.4~2.48 GHz ISM)， 傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強(qiáng)的直序擴(kuò)頻方式（DSSS），特別適合在干擾較大的環(huán)境中使用。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，ZigBee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

結(jié)束語 

　　通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對于CC2430芯片的使用，感覺到ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常廣闊，CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片，使得我們開發(fā)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)會(huì)更加方便，產(chǎn)品開發(fā)周期會(huì)大大縮短。