CC2540和SHT11的無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：藍(lán)牙無線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙4．0規(guī)范的核心是藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy)技術(shù)，本設(shè)計(jì)采用基于BLE技術(shù)的CC2540芯片，利用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器來進(jìn)行溫濕度的采集，并通過CC2540以無線方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：CC2540；藍(lán)牙4．0；BLE；SHT11；無線網(wǎng)絡(luò)

引言
    在各類民用、工業(yè)控制現(xiàn)場等工作人員難以到達(dá)的區(qū)域，環(huán)境溫濕度的狀況是重要的參數(shù)，因此，對環(huán)境溫濕度的準(zhǔn)確、及時(shí)監(jiān)控，具有重要意義。藍(lán)牙采用跳頻機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故能極大地提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性能。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用而言，本設(shè)計(jì)大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且大大降低了功耗和體積。由此帶來的靈活性，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛。
    本文對系統(tǒng)的總體方案、硬件電路和軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容作了詳細(xì)介紹，通過使用CC2540芯片所具有的藍(lán)牙4．0BLE協(xié)議進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了一種新型的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CC2540芯片簡介
    CC2540是TI公司推出的完全兼容藍(lán)牙4．0低功耗BLE協(xié)議的SoC芯片，其內(nèi)部集成了低功耗的8051MCU內(nèi)核、高性能2．4 GHz射頻收發(fā)器、8 KB RAM和256 KB Flash存儲(chǔ)器。其主要特性：包括1個(gè)16位和2個(gè)8位通用定時(shí)器、2個(gè)UART、12位有效位的ADC模／數(shù)轉(zhuǎn)換、21個(gè)GPIO、32 kHz休眠定時(shí)器，具有5種工作模式，集成AES-128安全協(xié)處理器、高性能比較器、精確的數(shù)據(jù)接收信號強(qiáng)度檢測(RSSI)、功能強(qiáng)大的5通道直接內(nèi)存訪問(DMA)；在發(fā)送模式和外部中斷模式下，電流損耗分別為24 mA和0．4μA。CC2540與TI的藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧相配合，已成為市場上靈活、具有廣闊應(yīng)用前景的藍(lán)牙低功耗解決方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的無線溫濕度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫濕度傳感器SHT11與CC2540節(jié)點(diǎn)設(shè)備相連，由CC2540芯片中集成的8051 MCU來控制溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送給藍(lán)牙集中器，集中器通過串口將收到的無線數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端。

3 硬件電路
3．1 處理器單元
    CC2540芯片中集成的處理器采用兼容8051內(nèi)核的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)，該內(nèi)核通過3種不同的內(nèi)存訪問總線(SFR、DATA和CODE／XDATA)對內(nèi)存進(jìn)行訪問控制，SFR總線負(fù)責(zé)將所有的外設(shè)同內(nèi)存仲裁相連接，還負(fù)責(zé)CPU與射頻寄存器之間的交互。內(nèi)存仲裁通過SFR總線將CPU、DMA模塊、存儲(chǔ)器以及其他外設(shè)連接在一起。CC2540芯片外部接口電路如圖2所示，外圍電路包含1個(gè)32 MHz和1個(gè)32．768 kHz石英晶振，RF_N和RF_P為射頻天線接口。

3．2 天線及巴倫匹配電路
    天線以及巴倫匹配電路的設(shè)計(jì)較為重要，這涉及到射頻通路的指標(biāo)是否優(yōu)良，對通信距離、系統(tǒng)功耗都有較大影響。天線設(shè)計(jì)可以采用PCB天線，本文射頻天線采用了全尺寸的倒F天線(IFA)，極大地提高了發(fā)射、接收性能。天線如圖3所示，尺寸參數(shù)如表1所列。

    巴倫匹配電路即平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，使得單極天線接收的信號轉(zhuǎn)為雙路差分信號時(shí)，維持天線的輻射效率。巴倫匹配電路如圖4所示。

3．3 傳感器模塊
    傳感器模塊采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，該芯片主要特點(diǎn)有：
    ◆提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，可靠性高；
    ◆高集成度，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A／D轉(zhuǎn)換等功能集成到單一芯片上；
    ◆提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能，采用CMOS工藝，可適應(yīng)潮濕的測量環(huán)境。SHT11溫濕度傳感器的典型應(yīng)用電路如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 BLE協(xié)議棧
    本設(shè)計(jì)通過使用CC2540芯片所具有的藍(lán)牙4．0 BLE協(xié)議實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的互聯(lián)以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。TI公司推出的藍(lán)牙4．0 BLE協(xié)議棧包含兩部分：主機(jī)和控制器。協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方式采用分層的思想，控制器部分包括物理層、鏈路層、主機(jī)控制接口層；主機(jī)部分包括邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層、安全管理層、屬性協(xié)議層、通用訪問配置文件層、通用屬性配置文件層；上層可以調(diào)用下層提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)需要的功能。藍(lán)牙4．0 BLE協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
    藍(lán)牙4．0 BLE協(xié)議棧中，有3個(gè)變量至關(guān)重要：
    ①tasksCnt：該變量保存了任務(wù)的總個(gè)數(shù)。該變量的聲明為“uint8 tasksCnt”，其中uint8的定義為“typedef unsigned char uint8”。
    ②tasksEvents：這是一個(gè)指針，指向了事件表的首地址。該變量的聲明為“uint16*tasksEvents”，其中uint16的定義為“typedef unsigned short uint16”。
    ③tasksArr：這是一個(gè)數(shù)組，該數(shù)組的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，指向了事件處理函數(shù)。該數(shù)組的聲明為“pTaskEventHandlerFn tasksArr[]”，其中pTaskEventHandlerFn定義如下：
    typedef unsigned short(*pTaskEventHandlerFn)(unsignedchar task_id，unsigned short event)
    這是定義了一個(gè)函數(shù)指針。因此，tasksArr數(shù)組的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，指向了對應(yīng)的事件處理函數(shù)。
    可以將BLE協(xié)議棧的運(yùn)行機(jī)制總結(jié)為：通過不斷地輪詢事件表來判斷是否有事件發(fā)生，如果有事件發(fā)生，則查找函數(shù)表找到對應(yīng)的事件處理函數(shù)對事件進(jìn)行處理。事件表使用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，數(shù)組的每一項(xiàng)對應(yīng)一個(gè)任務(wù)的事件，每一位表示一個(gè)事件；函數(shù)表使用函數(shù)指針數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，數(shù)組的每一項(xiàng)是一個(gè)函數(shù)指針，指向了事件處理函數(shù)。
4．2 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖
    使用SHT11溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集，周期性的采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到CC2540藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，如圖7所示。

4．3 實(shí)驗(yàn)原理及流程圖
    CC2540節(jié)點(diǎn)設(shè)備與集中器設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸操作流程如下：
    ①集中器設(shè)備發(fā)起掃描請求，掃描正在發(fā)送廣告的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，若GAP(Generic Access Profile)服務(wù)的UUID(Universally Unique Identifier)相匹配，則兩設(shè)備可以建立連接。
    ②集中器發(fā)起建立連接的請求，外部設(shè)備響應(yīng)后，兩設(shè)備進(jìn)入連接狀態(tài)，然后集中器通過特定的UUID進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)。
    ③發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)后，集中器發(fā)送要進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的“特性(Characteristics)”的UUID，節(jié)點(diǎn)設(shè)備將這個(gè)“特性”的句柄返回給集中器，句柄即為特性值在屬性表中的地址。
    藍(lán)牙BLE數(shù)據(jù)服務(wù)包含一些稱之為“特性”的數(shù)據(jù)，“特性”是服務(wù)用到的值以及其內(nèi)容和配置信息(稱為描述符)，存儲(chǔ)于屬性表中。所有應(yīng)用數(shù)據(jù)的操作都需要通過“特性”進(jìn)行，如果將“特性”比作一輛客車，應(yīng)用數(shù)據(jù)便是乘客，“特性”的UUID便是車牌號，“特性”中應(yīng)用數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)過程就相當(dāng)于通過車牌號找到客車，然后才能找到客車上的乘客。

    集中器設(shè)備掃描發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備并與之建立連接的流程如圖8所示。集中器設(shè)備與節(jié)點(diǎn)設(shè)備建立連接后，進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)、“特性”發(fā)現(xiàn)以及“特性”中的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D9所示。

5 系統(tǒng)測試
    CC2540集中器將接收到的無線數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC端的監(jiān)控終端，通過串口輸出的溫濕度數(shù)據(jù)如圖10所示。

結(jié)語
    藍(lán)牙4．0技術(shù)是三位一體的藍(lán)牙技術(shù)，它將傳統(tǒng)藍(lán)牙、高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙技術(shù)融合在一起，這3個(gè)規(guī)格可以組合或者單獨(dú)使用。本文講述的即為藍(lán)牙低功耗技術(shù)的單獨(dú)使用，極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗可以使設(shè)備依靠一粒紐扣電池就可連續(xù)工作一年甚至數(shù)年之久。此外，還具有低成本和跨廠商互操作性，3 ms啟動(dòng)能提高傳輸距離具有AES-128安全加密等諸多特色，可應(yīng)用于對成本和功耗都有嚴(yán)格要求的無線方案，廣泛用于醫(yī)療保健、體育健身、家庭娛樂、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域。