基于CC2430的無線傳感器網絡系統設計

摘 要:介紹一種基于CC2430的無線傳感器網絡系統設計，它以CC2430為核心，用于監控溫濕度、紅外線強度、光照度的無線傳感器網絡。給出了系統的總體結構、硬件電路、軟件設計以及電路板、數據結果。

關鍵詞:ZigBee; CC2430; 無線傳感器網絡; SHT11

中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0066-03

Design of Wireless Sensor Network System Based on CC2430

SUN De-hui， GONG Guan-fei， YANG Yang

(Key Laboratory for Field Bus Technology and Automation， North China University of Technology， Beijing 100144， China)

Abstract:A kind of wireless sensor network system based on CC2430 is design for monitoring temperature and humidity， infrared intensity and light. The architecture， hardware circuit， software design， circuit board and data results of the system are given.

Keywords:ZigBee; CC2430; wireless sensor network; SHT11

當今世界通信技術迅猛發展，隨著微機電系統、片上系統、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks， WSN)[1]，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的一場變革。基于此，設計實現了一種以CC2430為核心的無線傳感器網絡。其中，傳感器模塊包括有溫濕度傳感器SHT11、紅外傳感器BS520、光照度傳感器PGM5506。

1 無線傳感器網絡系統總體結構

無線傳感器網絡是對周圍環境的溫度、濕度、光、加速度等信息進行監控和管理的技術。這種無線傳感器節點中內置了傳感器、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[2]，可以與周圍的傳感器節點一起把數據傳輸到匯聚節點。本文介紹的無線傳感器網絡由一個匯聚節點和多個傳感器節點組成，通過匯聚節點上傳到遠程主機。系統的總體結構如圖1所示。

2 硬件電路的設計

CC2430是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統[3]。CC2430只需要很少的外接元件就可以運行，其內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信號的收發功能。圖2為CC2430基本電路設計。

圖1 系統的總體結構

圖2中C1，C2為22 pF的電容，連接32 MHz的晶振電路[4]，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=0.1 μF，用于去除一些雜波干擾，防止單片機錯誤復位。 C6~C8分別為100 nF，220 nF，220 nF，用作濾波，去除雜波干擾使電壓更穩定[5]。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，整個結構滿足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。C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩定性。偏置電阻器R1，R2分別為43 kΩ，56kΩ，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設置精密偏置電流。

由于CC2430芯片具有低功耗的特性，選用2節2 800 mAh的干電池為節點機供電。天線選用外置天線。

圖2 CC2430基本電路

圖3 三種傳感器連接原理圖

CC2430與溫濕度傳感器SHT11，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P0.0，P0.1，P0.6，P1.2和P1.3為CC2430的I/O端口。

SHT11采用兩線串行線和處理器進行數據通信，SCK數據線負責處理器和SHT11的通訊同步;DATA三態門用于數據的讀取。為避免信號沖突，微處理器應驅動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[6]，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[7]，隨著周邊環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LIGHT OUT中，可以根據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[8]，因此CC2430處理器可以根據輸入的電流變化量來測定紅外線值。圖3顯示CC2430的引腳P0.1連接INFRARED ADC。

3 網絡節點軟件的設計

網絡節點的軟件包括傳感器的數據采集及無線通信。數據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、紅外傳感器數據的采集就是直接將輸入的模擬量轉化為數字量，軟件設計相對簡單，下面只以溫濕度傳感器SHT11為例介紹數據采集軟件。無線通訊采用ZigBee技術將采集到的數據發送給協調器以及協調器接收數據。

3.1 溫濕度數據采集模塊

溫濕度傳感器SHT11采用串行接口，但是在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優化處理。SCK用于CC2430與SHT11之間的通訊同步，DATA雙向串行通信線可寫命令和讀數據。控制流程圖如圖4所示。首先進行數據傳輸的初始化，然后發送一組測量命令。SHT11接收命令測量數據后處理器來讀取數據。

圖4 溫濕度數據采集模塊流程圖

3.2 無線通信模塊

ZigBee網絡支持三種拓撲結構，即星狀、樹狀和網狀拓撲[9]。本系統采用的協議棧為TI協議棧[10]。對協議棧進行了適當的修改和增減以適應硬件電路的實際應用，組成樹狀傳感器網絡。

網絡協調器程序流程圖如圖5所示，首先初始化CC2430，之后初始化協議棧，然后創建一個新網絡，并確定PANID與頻道選擇。打開全局中斷之后程序開始進入應用程序，監測空氣中有無ZigBee信號，如果有節點申請加入網絡，網絡協調器給節點分配網絡地址。同樣如果終端設備發送來的是傳感器測試數據值，并從串口發送給遠程主機。

圖5 網絡協調器程序流程圖

傳感器節點程序流程圖如圖6所示，程序同樣首先初始化CC2430，之后初始化協議棧，并打開全局中斷。開始發送加入網絡信號，等待協調器響應，如果加入網絡成功，傳感器進入休眠狀態，如果不成功就繼續申請加入網絡。加入網絡成功之后，溫濕度采集節點就定時采集數據并向協調器發送，如果發送成功，系統進入休眠狀態，如果發送失敗，繼續發送當前溫度值。

圖6 傳感器節點程序流程圖

4 實驗結果

系統的各個節點硬件采用模塊化設計，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節點之間的傳輸距離能達到50~70 m，工作在室內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軟件監視采集到的實時溫度信息，能夠很好地實現溫度信息的讀取。監視到的溫度如圖9所示。

圖7 CC2430底板

圖8 傳感器模塊

圖9 實時溫濕度顯示

5 結 語

通過對無線傳感器網絡系統的設計和對CC2430的了解，ZigBee技術未來的應用前景被看好。未來的幾年里，它將在工業控制、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子等多個領域實現應用。

參考文獻

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[10]李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO協議棧實驗與實踐[ M] .北京:北京航空航天大學出版社，2009.