基于CC2530的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[1]

仲啟秀，盧海州

1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164 2.常州高谷物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，江蘇常州 213164

基于CC2530的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[1]

仲啟秀1，盧海州2

1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164 2.常州高谷物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，江蘇常州 213164

本文基于CC2530芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)集成溫度、濕度、煙霧等傳感器，通過(guò)LCD小液晶顯示傳感器數(shù)據(jù)，是一種應(yīng)用靈活、成本低廉的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，最后利用本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee無(wú)線通訊；傳感器；環(huán)境監(jiān)測(cè)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的人才需求與日俱增，如何培養(yǎng)高質(zhì)量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才是目前高校面臨的主要問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是《Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》

課程的專用實(shí)訓(xùn)設(shè)備。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)拋棄傳統(tǒng)的ARM控制中心，直接在CC2530Zigbee節(jié)點(diǎn)上，集成了大量傳感器及LCD小液晶，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和協(xié)調(diào)器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與組網(wǎng)，也能夠單機(jī)使用，真正做到學(xué)習(xí)與應(yīng)用雙重功能。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由兩部分組成，一部分是Zigbee協(xié)調(diào)器和Zigbee路由器，Zigbee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)，Zigbee路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；另一部分是Zigbee實(shí)訓(xùn)平臺(tái)終端，實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集及本地顯示。兩部分都是由CC2530核心模塊搭載不同底板構(gòu)成。

1.1 Zigbee 核心板原理設(shè)計(jì)

CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ Zigbee的第二代片上系統(tǒng)解決方案，CC2530的主要優(yōu)勢(shì)是成本低廉，組網(wǎng)功能強(qiáng)大。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 MCU，在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，8 KB RAM和許多其它強(qiáng)大功能。CC2530具備多種運(yùn)行模式，運(yùn)行功耗超低，不同運(yùn)行模式間轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，減少芯片的功率消耗。Zigbee核心模塊所搭建的射頻收發(fā)模塊，集成了zigbee天線、天線與收發(fā)管腳之間的匹配電路、射頻主芯片CC2530、外圍器件及接口電路。系統(tǒng)框圖如下。

1.1.1 CC2530 晶振設(shè)計(jì)

CC2530是非常敏感的射頻芯片，對(duì)外部晶振要求高，因此核心芯片采用EPSON的TSX-3225系列的32MHz晶振，而32.768KHz選用EPSON的FC-135R，兩個(gè)晶振都具備極低的頻率公差及寬容值的負(fù)載電容，可以保證該模塊在惡劣環(huán)境可靠的運(yùn)行。

1.1.2 CC2530 電源設(shè)計(jì)

電源穩(wěn)定是Zigbee核心板可靠運(yùn)行的前提，由于CC2530非常敏感，故電源采用TI的超低噪聲、高PSRR、快速射頻、高電平啟用的200mA低壓降穩(wěn)壓器TPS79333，穩(wěn)定輸出3.3V直流電壓，為CC2530供電。

這天晚上，阿東便上網(wǎng)下載哀樂(lè)。對(duì)于阿東來(lái)說(shuō)，這是件容易不過(guò)的事。但是下載后，他回到學(xué)校，誰(shuí)又能放給他聽(tīng)呢？阿東問(wèn)父親老巴，會(huì)不會(huì)開(kāi)電腦，放音樂(lè)。老巴搖頭說(shuō)：“我哪有這個(gè)學(xué)問(wèn)!”

1.1.3 CC2530 天線設(shè)計(jì)

CC2530具備可編程最高4.5dBm的天線輸出功率，綜合考慮，為保證模塊小巧，同時(shí)具備高的增益輸出，故選用2.4GHz的倒F天線，該天線的典型效率為80%（EB）或94%（SA），最高增益可達(dá)+3.3dBm。

1.2 Zigbee核心板PCB設(shè)計(jì)

根據(jù)Capture設(shè)計(jì)的電氣原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)表，導(dǎo)入到Allegro PCB Design軟件進(jìn)行手工布線，生成PCB圖。為了保證EMC/EMI認(rèn)證通過(guò)，該模塊采用4層板，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1）走線層盡量走在中間層，防止受外部環(huán)境干擾以及對(duì)外電磁輻射。

2）電源引腳應(yīng)就近增加濾波電容，減少高頻信號(hào)對(duì)電源干擾。

4）天線走線要盡量短，同時(shí)嚴(yán)格控制50Ω的阻抗匹配。

5）BALUN平衡器、天線濾波調(diào)諧器的合理設(shè)計(jì)。

6）與外部連接采用郵票孔的設(shè)計(jì)，方便模塊的焊接使用。

7）預(yù)留電磁屏蔽罩的焊接位置。

1.3 Zigbee底板設(shè)計(jì)

1.3.1 Zigbee 核心底板的設(shè)計(jì)

CC2530具有非常豐富的外設(shè)，在設(shè)計(jì)核心底板時(shí)，將主芯片上的所有的引腳全部引出到底板，形成兩排插針，CC2530周圍所需的bypass電容已經(jīng)全部設(shè)計(jì)到位，只需要提供2～3.6V的直流電壓，核心模塊即可正常穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3.2 Zigbee 傳感器底板設(shè)計(jì)

Zigbee 傳感器底板設(shè)計(jì)是本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的重點(diǎn)，通過(guò)IO端口集成了溫度、濕度、煙霧傳感器，同時(shí)集成了LCD液晶顯示器，繼電器，用戶按鍵等用戶設(shè)備，方便實(shí)現(xiàn)多種學(xué)習(xí)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)操作。溫濕度傳感器采用瑞士進(jìn)口的高精度數(shù)字溫濕度SHT20。該傳感器內(nèi)置改進(jìn)的電容式濕度傳感器元件和能隙溫度傳感器元件，具備超低功耗及高濕度環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口。

1.4 Zigbee 協(xié)議棧移植及改造

Zigbee協(xié)議棧基于ZSTACK 2007移植改造，Zigbee實(shí)訓(xùn)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)需要設(shè)置周期性接收傳感器數(shù)據(jù)事件，并完成轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。協(xié)議棧的應(yīng)用層基于SampleApp. c進(jìn)行改造，首先在ZDO_STATE_CHANGE事件ID下添加傳感器模塊的初始化函數(shù)和周期函數(shù)，然后在周期函數(shù)里添加SampleApp_SendPointToPointMessage()，最后將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)AF_DataRequest函數(shù)發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

2 無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用本設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)集中監(jiān)控環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)部署在中心機(jī)房上的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)集成GSM模塊，并且符合報(bào)警條件時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由Zigbee實(shí)訓(xùn)平臺(tái)終端、Zigbee實(shí)訓(xùn)平臺(tái)協(xié)調(diào)器、路由器及GSM短信報(bào)警模塊構(gòu)成，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于QT開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)跟蹤顯示各種參數(shù)信息，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)報(bào)警條件進(jìn)行設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)圖如下。

3 結(jié)論

本文基于CC2530 設(shè)計(jì)了一款物聯(lián)網(wǎng)Zigbee實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)以CC2530為核心，集成了ZSTACK 2007協(xié)議棧，底板集成了溫濕度傳感器、煙霧傳感器及LCD顯示屏。該平臺(tái)可以完成Zigbee各節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、傳感器數(shù)據(jù)采集和顯示實(shí)驗(yàn)，是一種價(jià)格低廉、實(shí)訓(xùn)效果良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

最后利用本平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一款基于QT的無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)本系統(tǒng)連接GSM模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境的異常報(bào)警功能，滿足機(jī)房、變電站等環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，具有有良好的市場(chǎng)前景。

[1]杜軍朝.ZigBee技術(shù)原理與實(shí)戰(zhàn)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]姜仲，劉丹.ZigBee技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教程——基于CC2530的無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社.

TP3

A

1674-6708（2015）143-0129-02

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題，課題編號(hào)[KJ13315]

仲啟秀，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧轿锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用盧海州，工程師，研究方向?yàn)榍度胧接布O(shè)計(jì)