基于CC2530的物聯網實訓平臺的設計與應用[1]

仲啟秀，盧海州

1.常州工程職業技術學院，江蘇常州 213164 2.常州高谷物聯網科技有限公司，江蘇常州 213164

基于CC2530的物聯網實訓平臺的設計與應用[1]

仲啟秀1，盧海州2

1.常州工程職業技術學院，江蘇常州 213164 2.常州高谷物聯網科技有限公司，江蘇常州 213164

本文基于CC2530芯片設計實現了一款物聯網綜合實訓平臺，該平臺集成溫度、濕度、煙霧等傳感器，通過LCD小液晶顯示傳感器數據，是一種應用靈活、成本低廉的教學實訓設備，最后利用本平臺實現了無線智能環境監測系統。

物聯網；Zigbee無線通訊；傳感器；環境監測

隨著物聯網技術的快速發展，物聯網的人才需求與日俱增，如何培養高質量的物聯網技術人才是目前高校面臨的主要問題。本文設計的物聯網實訓平臺是《Zigbee無線網絡技術》

課程的專用實訓設備。該實訓平臺拋棄傳統的ARM控制中心，直接在CC2530Zigbee節點上，集成了大量傳感器及LCD小液晶，不僅能夠實現實訓平臺和協調器之間實現無線數據傳輸與組網，也能夠單機使用，真正做到學習與應用雙重功能。

1 實訓平臺設計

本實訓平臺由兩部分組成，一部分是Zigbee協調器和Zigbee路由器，Zigbee協調器實現無線組網，Zigbee路由器實現數據轉發功能；另一部分是Zigbee實訓平臺終端，實現傳感器的數據采集及本地顯示。兩部分都是由CC2530核心模塊搭載不同底板構成。

1.1 Zigbee 核心板原理設計

CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ Zigbee的第二代片上系統解決方案，CC2530的主要優勢是成本低廉，組網功能強大。CC2530集成了業界領先的RF收發器、增強工業標準的8051 MCU，在系統可編程Flash存儲器，8 KB RAM和許多其它強大功能。CC2530具備多種運行模式，運行功耗超低，不同運行模式間轉換時間非常短，減少芯片的功率消耗。Zigbee核心模塊所搭建的射頻收發模塊，集成了zigbee天線、天線與收發管腳之間的匹配電路、射頻主芯片CC2530、外圍器件及接口電路。系統框圖如下。

1.1.1 CC2530 晶振設計

CC2530是非常敏感的射頻芯片，對外部晶振要求高，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，兩個晶振都具備極低的頻率公差及寬容值的負載電容，可以保證該模塊在惡劣環境可靠的運行。

1.1.2 CC2530 電源設計

電源穩定是Zigbee核心板可靠運行的前提，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低壓降穩壓器TPS79333，穩定輸出3.3V直流電壓，為CC2530供電。

這天晚上，阿東便上網下載哀樂。對于阿東來說，這是件容易不過的事。但是下載后，他回到學校，誰又能放給他聽呢？阿東問父親老巴，會不會開電腦，放音樂。老巴搖頭說：“我哪有這個學問!”

1.1.3 CC2530 天線設計

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+3.3dBm。

1.2 Zigbee核心板PCB設計

根據Capture設計的電氣原理圖生成的網絡表，導入到Allegro PCB Design軟件進行手工布線，生成PCB圖。為了保證EMC/EMI認證通過，該模塊采用4層板，設計要點如下。

1）走線層盡量走在中間層，防止受外部環境干擾以及對外電磁輻射。

2）電源引腳應就近增加濾波電容，減少高頻信號對電源干擾。

4）天線走線要盡量短，同時嚴格控制50Ω的阻抗匹配。

5）BALUN平衡器、天線濾波調諧器的合理設計。

6）與外部連接采用郵票孔的設計，方便模塊的焊接使用。

7）預留電磁屏蔽罩的焊接位置。

1.3 Zigbee底板設計

1.3.1 Zigbee 核心底板的設計

CC2530具有非常豐富的外設，在設計核心底板時，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電容已經全部設計到位，只需要提供2～3.6V的直流電壓，核心模塊即可正常穩定運行。

1.3.2 Zigbee 傳感器底板設計

Zigbee 傳感器底板設計是本實訓平臺的重點，通過IO端口集成了溫度、濕度、煙霧傳感器，同時集成了LCD液晶顯示器，繼電器，用戶按鍵等用戶設備，方便實現多種學習項目及實驗操作。溫濕度傳感器采用瑞士進口的高精度數字溫濕度SHT20。該傳感器內置改進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境下的長期穩定性，標準的IIC接口。

1.4 Zigbee 協議棧移植及改造

Zigbee協議棧基于ZSTACK 2007移植改造，Zigbee實訓平臺節點需要設置周期性接收傳感器數據事件，并完成轉發動作。協議棧的應用層基于SampleApp. c進行改造，首先在ZDO_STATE_CHANGE事件ID下添加傳感器模塊的初始化函數和周期函數，然后在周期函數里添加SampleApp_SendPointToPointMessage()，最后將傳感器數據通過AF_DataRequest函數發送給協調節點。

2 無線智能環境監測系統

利用本設計的實訓平臺集中監控環境中的溫度、濕度、煙霧傳感器數據，通過部署在中心機房上的監控系統實現全方位數據監測，系統集成GSM模塊，并且符合報警條件時發出報警信息。

無線智能環境監控系統主要由Zigbee實訓平臺終端、Zigbee實訓平臺協調器、路由器及GSM短信報警模塊構成，環境監測系統基于QT開發，實時跟蹤顯示各種參數信息，用戶可以根據實際情況對報警條件進行設置。整個系統架構圖如下。

3 結論

本文基于CC2530 設計了一款物聯網Zigbee實訓平臺，該平臺以CC2530為核心，集成了ZSTACK 2007協議棧，底板集成了溫濕度傳感器、煙霧傳感器及LCD顯示屏。該平臺可以完成Zigbee各節點之間無線組網實驗、傳感器數據采集和顯示實驗，是一種價格低廉、實訓效果良好的實驗設備。

最后利用本平臺開發了一款基于QT的無線智能環境監測系統，通過本系統連接GSM模塊，能夠實現環境的異常報警功能，滿足機房、變電站等環境監測需求，具有有良好的市場前景。

[1]杜軍朝.ZigBee技術原理與實戰[M].機械工業出版社.

[2]姜仲，劉丹.ZigBee技術與實訓教程——基于CC2530的無線傳感網技術[M].清華大學出版社.

TP3

A

1674-6708（2015）143-0129-02

常州工程職業技術學院院級課題，課題編號[KJ13315]

仲啟秀，高級工程師，研究方向為嵌入式物聯網技術與應用盧海州，工程師，研究方向為嵌入式硬件設計