基于CC2540的實驗室無線信息采集系統設計

傅智河，劉世羲，連少霖，黃 達

（龍巖學院 物理與機電工程學院，福建 龍巖 364012）

基于CC2540的實驗室無線信息采集系統設計

傅智河，劉世羲，連少霖，黃 達

（龍巖學院 物理與機電工程學院，福建 龍巖 364012）

本文以射頻芯片CC2540為核心，建立低功耗、低時延的藍牙（BLE4.0）無線通信網絡，設計并實現了實驗室無線信息采集，同時給出了系統硬件構架及上、下位機軟件設計.并就組網技術進行了相關測試，驗證設計方案的可行性.

數據采集；無線通信；藍牙技術

無線數據通信技術是近年來新的發展趨勢，將無線技術引入數據采集領域，可以解決某些不便布線環境下的數據采集問題，克服有線網絡布線麻煩和維護困難的缺點，提高采集系統的適應性[1].藍牙4.0作為一種新興的無線數據通信技術，主要具有以下特點：工作在2.4GHz的ISM頻段，極低的運行和待機功耗；使用1Mb/s速率以達到最大限制帶寬；具備AES-128加密等.本文基于藍牙4.0研究實現實驗室無線信息的采集.

1 系統硬件設計

1.1 系統構成和工作原理

系統由數據采集器、BLE終端節點、BLE協調器節點、上位機等部件構成，采用BLE4.0無線數據傳輸技術，把采集到的數據收集到一個BLE協調器中，并由上位機實現對數據的顯示和處理，系統的整體結構如圖1-1所示.其中數據數據采集終端主要完成電流、溫度、濕度等參數的采集；BLE終端節點主要完成從數據采集終端接收數據，并通過無線通信方式發送接收到的數據，或者接收BLE協調器節點發送的控制命令；BLE協調器節點是整個網絡的發起者，管理整個網絡的規模，存儲BLE網絡中各個節點的信息.協調器主要任務是收集終端節點發出的信息，組建網絡，并通過RS232接口把數據傳到上位機；上位機接收BLE協調器節點傳來的信息，并處理和顯示數據[2，3].

圖1-1 無線數據采集系統的整體方框圖

1.2 協調器節點硬件結構

協調器硬件結構框圖如圖1-2所示，以CC2540為核心，通過轉換接口RS232，建立協調器與上位機之間數據或命令的快速傳輸，從而實現PC綁定數據、用戶數據命令、節點信息及網絡信息數據等功能[4].

圖1-2 協調器節點硬件結構框圖

圖1-3 終端器節點硬件結構框圖

1.3 終端器節點硬件結構

終端器節點硬件結構框圖如圖1-3所示，終端節點硬件分為兩大部分：無線傳輸模塊及終端底層電路模塊，無線傳輸模塊用于終端節點與協調器節點間的數據傳輸，終端底層電路模塊用于相關數據的采集.

1.4 核心模塊電路設計

系統核心電路由CC2540芯片構建，由于CC2540將8051內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中，因而簡化了電路的設計過程，省去了對單片機與無線收發芯片之間接口電路的設計，縮短了研發周期[5].電路原理圖如圖1-4所示.為得到更好的性能，電源濾波電路參考TI公司濾波電路選擇了合適的去耦電容進行濾波，提高了抗干擾能力，充分利用CC2540的I/O口，增加無線模塊的通用性.CC2540工作需要兩個時鐘晶振，時鐘32MHz用于無線收發；32.068KHz為休眠模式提供時鐘.晶振的負載電容C17和C18采用典型值12pF[6].天線電路采用非平衡天線加上一個非平衡變壓器構成，參數由仿真得出.

圖1-4 CC2540無線傳輸模塊原理圖

2 系統軟件設計

軟件是功能得以實現的關鍵，軟件設計包含傳感器數據的采集、BLE終端節點數據收發、協調器節點數據收發以及上位機數據實時顯示與數據管理等.

2.1 協調器軟件設計

協調器節點軟件工作流程如圖1-5所示，首先初始化CC2540協議棧，然后掃描終端節點，并將掃描到的網絡信息和協調器網絡信息顯示出來.如協調器節點的物理地址、已建立網絡的網絡地址等.隨后建立連接，建立連接完成之后，程序不斷查看是否有信息到來，如果有來自網絡的信息，網絡協調器會根據發送來的信息，作出相應的處理；如果數據正確，則將數據發送給上位機.

圖1-5 協調器節點流程圖

2.2 終端器軟件設計

終端節點電路由兩部分組成，一部分是以MCU為核心的底層電路，一部分是以CC2540為核心的無線收發電路.因此，終端節點軟件設計也分為兩部分：其一，終端底層電路軟件首先進行相關傳感器模塊的初始化工作，完成初始化工作之后，進行相關數據的采集，再將相應的數據正確輸送給終端節點無線傳輸模塊；其二，終端節點無線數據發送，軟件首先對CC2540進行相應模塊的初始化，初始化完成之后，使能廣播信號，接著進行終端節點的串口初始化.之后，等待連接，待與協調器建立連接后，進行數據的發送與接收.終端底層電路軟件設計如圖1-6所示，終端節點數據發送軟件實現流程如圖1-7所示，

圖1-6 終端底層電路軟件流程圖

圖1-7 終端無線發送軟件流程圖

2.3 上位機軟件設計

LabVIEW是由美國國家儀器公司研制開發的編程開發軟件，與其它計算機語言編程不同的是LabVIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式.在LabVIEW開發環境中，子程序被稱作子VI封裝成為一個圖標，整個程序由若干模塊組成，每個模塊用一個或者幾個子VI實現，子VI能直接調用、復用[7]；本次設計通信模塊由子VI Serial Port Init VI、Serial Port Write VI、Serial Port Read VI及Bytes at serial Port VI組成，總程序框圖如圖1-8所示.設計結果表明上位機實現以下主要功能：(1)通過RS232串口通信完成與協調器節點的通信；(2)數據實時顯示；(3)實現數據管理.

圖1-8 上位機程序框圖

3 系統測試

實際測試系統由3塊終端器節點模塊來構建一個簡單的網絡，用串口調試工具查看組網情況.圖1-9顯示終端節點與協調器節點成功建立連接；圖1-10說明無線通信網絡通信正常；圖1-11顯示出了上、下位機運行結果，以及當前溫度、當前濕度與當前電流.測試表明本系統運行良好，無線網絡通信成功.

圖1-9 終端節點與協調器節點建立連接

圖1-10 終端節點與協調器節點數據傳輸

圖1-11 下位機與上位機的效果圖

結束語

文中采用射頻芯片CC2540和MCU設計了相關電路，實現了工作頻率為2.4GHz的適合BLE協議的無線數據傳輸，完成了數據采集和傳輸的功能.同時結合硬件電路的特點和系統的功能要求，編寫了整個系統的軟件.本系統操作界面簡便、清晰，具有良好的人機操作界面.但在節點非法侵入、信息破壞的安全問題及構成較為復雜的網絡拓撲結構等后續研究領域仍存在著很多新的挑戰.

〔1〕張立立,徐勇,孫開.基于ZigBee技術的無線數據采集系統的研制[J].實驗技術與管理,2012,29 (5):140-143.

〔2〕鄭力軍,王偉,尹東輝.基于ZigBee技術的數據采集系統的設計[J].消費導刊，2012（6）：111.

〔3〕陳旭,方康玲,李曉卉.基于CC2430的ZigBee數據采集系統設計[J].湖南工業大學報,2008,22(6): 59-61.

〔4〕寧炳武.Zigbee網絡組網研究與實現[D].大連：大連理工大學，2007.23-26.

〔5〕王益祥,牛江平.遠程無線抄表系統的研究[J].自動化儀表,2011(3):4-7.

〔6〕S.H.Low,F.Paganini and J.C.Doyle.“Internet Congestion Control”.IEEE Control Systems Magazine,vol.22,no.1,pp.28–43,Feb2002.

〔7〕黃松嶺,吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2008.

TP27；TP311.1

A

1673-260X（2014）10-0033-03

福建省大學生創新創業訓練計劃項目(1106)