基于CC430F6137的多路傳感器無線監測系統

林凡強，馬曉茗

LIN Fan-qiang,MA Xiao-ming

（成都理工大學 信息科學與技術學院，成都 610059）

0 引言

由于檢測點的分散，監測對象的多樣化，這樣就給監測系統提出了更高的要求。此外有線通信方式布線繁雜，勞動強度較大，容易出現監控盲點。一旦通信線路發生故障，監測系統就可能失效，將嚴重影響系統的可靠性。

本文介紹了一種基于CC430F6137的多路傳感器無線監測系統[1,3]，既可以監測復雜多樣的環境參數，又能增強了通信線路的可靠性。該系統以CC430F6137以控制中心，其內部集成了CC1101射頻收發模塊，以網關節點為中心，多個傳感節點分布在監測現場，采用通用的ISM頻段433MHz實現數據的無線傳輸。

1 監測系統框架

無線監測系統主要由傳感器節點、路由節點、網關和上位機四部分組成，系統總體框架如圖 1所示。

傳感器節點：是信息的采集點，在這個采集點上包含了一組或多組具有相同作用的傳感器。傳感器節點將信息采集處理后與路由節點或網關節點進行無線通信，實現信息采集。

路由節點：在網關節點不能與所有的傳感器節點通信時，路由節點作為一種中介使網關和傳感器節點通信，實現路由功能，同時具有普通傳感器節點的數據采集功能。

圖1 系統總體框架

網關節點：根據計算機發送的指令來發送／接收路由節點或傳感器節點的數據，并將接收到的數據 經過串口發送給計算機。

上位機：上位機用于接收網關數據和發送命令，并實現可視化人機界面。

2 系統硬件電路設計

2.1 傳感器節點設計

傳感器節點的基本結構如圖2所示。

1）傳感器：用于感知周圍環境的參數，如聲音、光強、溫度、濕度、紅外、加速度等各種信息。

2）信號處理單元：對傳感器的輸出信號做出相應處理及變換，使之適應微處理器對信號接口的要求，例如，傳感器的輸出信號比較微弱，需要經過放大濾波后才能被MCU采樣。

3）無線收發單元：采用了集成RF內核的CC430F6137為主控芯片，主要的功能是負責數據處理及控制，包括了傳感網絡的算法、協議；通過RF單元實現網絡節點之間的無線通信。

圖2 傳感器節點框圖

CC430F6137的RF是平衡式輸出，天線收發為非平衡單端形式，因此，要對無線模塊的天線電路進行信號的轉換和阻抗匹配才能實現無線數據傳輸。天線匹配網絡如圖3所示。

圖3 天線匹配網絡

RF-N和RF-P是CC430F6137的RF的兩路平衡互補輸出，經過差分匹配電路進行差分濾波，然后通過Bulun非平衡變換器將差分信號變換成單端信號，再經過后級PI濾波器（帶通濾波），以50ohm的負載端阻抗匹配輸出至天線。

若選用的天線帶50ohm饋線，那么50ohm的負載端阻抗匹配可以不加。除此之外，對天線匹配網絡的PCB設計要求也比較高，可以采用ADS2008設計仿真[8]；該系統采用si9000 對于50ohm的負載端阻抗的線寬、銅皮厚度、機械層厚度等進行了微帶線設計。433M的天線有鞭狀的，柱狀的，還有PCB的，由于PCB天線無增益，而柱狀天線有增益，在該系統中選用了柱狀天線進行設計。

2.2 路由節點設計

路由節點作為中介，負責將接收到的數據進行轉發，也可以在此加入傳感器將其看做一個傳感節點，同樣采用了CC430F6137來作為控制中心，外圍電路只需要配置最小系統和天線匹配電路即可工作，功耗極低[4]，可以采用電池供電。

2.3 網關節點的設計

網關節點的硬件設計也比較簡單，采用CC430F6137的串口與PC進行連接。由于網關沒有連接傳感器，只需要組織管理網絡和收集傳感器節點采集的信息，并轉發送給PC；或是接收PC的命令控制傳感器節點和路由節點，進行無線數據采集。傳感器節點在對傳感器采集到的數據進行處理后，與路由節點和網關節點共同組建SimpliciTI網絡,通過無線方式把檢測到的數據傳送至網關，再把信息傳送到上位機。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括傳感器節點入網、路由轉發及網關采集3部分。網關主要負責組建一個新的網絡，接收來自于路由器的數據，開啟空閑通道等功能。而路由器節點與傳感器節點功能相似，主要負責加入網絡、周期性的發送數據等功能。該系統采用SimpliciTI無線通信協議[2]，SimpliciTI是TI開發的專門針對其CCxxxx系列無線通信芯片的網絡協議棧。SimpliciTI是一個基于點對點通訊協議，它支持兩種網絡拓撲結構：直接的點對點通信結構和基于星型連接的網絡拓撲結構。

3.1 傳感器節點的程序設計

3.1.1 溫度傳感器——DS18B20

DS18B20為數字溫度傳感器，電氣連接簡單，使用方便，采用單總線接口方式與微處器實現雙向通訊。程序設計中，單片機與DS18B20的通信需要嚴格遵守數據手冊提供的時序圖，以DS18B20復位時序為例，復位時序圖如圖4所示，其初始化程序如下所示。

圖4 DS18B20復位時序圖

DS18B20 的復位時序如下：

1）單片機拉低總線480us～950us,然后釋放總線（拉高電平）。

2）這時 DS18B20會拉低信號，大約60～240us表示應答。

3）DS18B20 拉低電平的 60～240us之間，單片機讀取總線的電平，如果是低電平，那么表示復位成功。

4）DS18B20拉低電平60～240us之后，會釋放總線。

根據DS18B20復位時序圖其初始化程序為：

3.1.2 溫濕度傳感器——DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含校準的數字輸出溫濕度復合傳感器[5,7]。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，采用DHT11的單總線數據傳輸協議使操作變得簡易便捷，只需要一根普通的I/O口線與DHT11的數據線相連，DHT11的時序圖如圖5所示。

DHT11的時序如下：

1）單片機拉低總線18ms以上，保證DHT11能檢測到起始信號。

圖5 DHT11的時序圖

2）主機發送開始信號結束后，延時等待20-40us后，讀取DHT11的響應信號。

3）DHT11接收到主機的開始信號后，等待主機開始信號結束，然后發送80us低電平響應信號表示應答。

4）DHT11發送響應信號后，再把總線拉高80us，準備發送數據。

5）50us低電平加26～28us的高電平表示“0”，50us低電平加70us的高電平表示“1”。

根據時序圖可以很容易的寫出DHT11和單片機之間的通信程序，其軟件設計的方法與DS18B20類似。

3.1.3 氣敏傳感器節點——MQ-2

氣敏傳感器是將氣體的濃度轉換成一定關系的電量輸出的裝置或器件，常見的有MQ-2/MQ-2S氣體傳感器，它對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。主要應用于家庭煤氣泄漏報警器，酒精測試儀，汽車尾氣報警器等。其驅動電路簡單，可以采用CC30F6137內部比較器進行監控，也可以采用外部比較器輸出TTL電平進行監控，操作靈活。例如采用內部比較器比較器，以2.0V為參考電壓的比較器寄存器初始化為：

3.1.4 紅外熱釋電傳感器節點

對于紅外熱釋電傳感器采用RE200B，該傳感器能夠檢測人或動物發射的紅外線，從而輸出電信號。使用RE200B必須配合傳感信號處理塊BISS0001，對傳感器信號進行放大，一起構成紅外熱釋電傳感器模塊。在電子防盜、人體探測領域中應用非常廣泛。為了更好的獲得紅外探測的靈敏度，還需要在紅外熱釋電傳感器上加上菲涅爾透鏡。該設計中，當有生物入侵時，可以發出報警，其程序設計與氣敏傳感器類似，在此不再贅述。

3.2 路由節點及網關的軟件設計

路由節點的功能時控制數據和命令的轉發，其程序設計流程圖如圖6所示。網關與上位機以串口方式連接，其程序設計流程圖如圖7所示。

圖6 路由節點程序流程圖

圖7 網關程序流程圖

3.3 上位機界面的設計

通過串口將網關節點收集到的數據傳給上位機，上位機軟件實時記錄串口接收到的數據[9]，并顯示在界面上，同時將溫度和相對濕度繪制成相應的變化曲線，上位機軟件界面是采用HTML應用程序進行設計，生成的HTA腳本文件只要將后綴改成.htm，就可以在網頁中打開，從而也可以實現服務器遠程監控。實驗及監測結果如圖8所示。

該界面主要有五部分組成，即實時顯示溫度值并繪制變化曲線；實時顯示相對濕度值并繪制變化曲線；可燃性氣體的最低爆炸極限（%LEL），即報警點的設定，檢測當前環境的可燃性氣體含量，當超過該值時發出報警；生物入侵檢測，當有入侵時可以發出警報，從而通知用戶；可以選擇“自動測試”或“手動測試”，還可以選擇不同的曲線樣式。

4 結束語

圖8 監測系統界面

本系統綜合采用傳感器技術、嵌入式計算機技術、分布式處理技術和通信技術的相關技術，實現的對多點，多種監測對象信息參數的實時采集、傳輸、顯示和保存[10,11]。除此之外，系統的節點可以根據需要自由配置，在路由節點覆蓋范圍內增減傳感器節點，還可以通過增加路由節點的數目擴大無線通信網絡的覆蓋范圍，該系統具有通用性高、擴展靈活、構建快速、布局方便、抗干擾性強等特點。RF網絡結點信號傳輸可達兩百米以上，增加路由設備后，傳輸距離可達千米范圍，實現遠距離監控傳輸距離可達千米范圍，不易受到目標環境和地域性的限制，加上CC430超低功耗的特點，可用于環境的監測、醫療監護、城市交通管理、倉庫管理、橋梁等重點設施的狀態監控等領域，

[1] CC430F6137 MSP430 SoC with RF Core. http：//www.chipcon.com. www.TI.com

[2] SimpliciTI Specification. http：//www.chipcon.com; www.TI.com

[3] 姚傳安,鄒彩虹. 基于無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J]. 鄭州輕工業學院學報： 自然科學版,2008,23(1)：l04-107.

[4] 徐太忠. 便攜式電子系統的低功耗設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2001(8)： 11-13.

[5] 王樹斌. 無線局域網技術概述[J]. 中國科技信息,2006,23(4)： 224.

[6] 高凌云,等. 基于89C52的煤氣泄露監測與報警系統[J].中國儀器儀表,2010(11)： 70-72.

[7] 施云波,周磊,修德斌. 基于 GSM的溫濕度環境參數遠程無線監測系統[J]. 傳感器與微系統,2009(29)： 97-98.

[8] 徐興福,等. ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M]. 北京： 電子工業出版社,2009.

[9] 馮子濤,等. 無線傳感器網絡動態數據管理GUI編程及實現[J]. 電子科技,2007(6)： 59-62.

[10] 張方奎. 短距離無線技術及其融合發展研究[J]. 電測與儀表,2007(10)： 48-50.

[11] 鄭寶玉,等譯. 現代無線通信[M]. 北京： 電子工業出版社,2006.