基于CC2530的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及性能分析

李忍忍，張正華，呂東方

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

基于CC2530的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及性能分析

李忍忍，張正華，呂東方

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

針對(duì)人力成本較高的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線繁雜、監(jiān)測(cè)靈活性差及以往無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗較高等問題，介紹了一種新型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和工作性能。綜合利用太陽能供電技術(shù)、傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種依靠太陽能自主供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，有效解決了傳感節(jié)點(diǎn)能耗的問題。經(jīng)測(cè)試，人機(jī)交互操作簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)可靠性高，可以滿足環(huán)境參數(shù)采集和監(jiān)測(cè)工作的要求。

太陽能；CC2530；無線傳感器節(jié)點(diǎn)；智慧農(nóng)業(yè)

0 引言

從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過程中，農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展大致經(jīng)歷了電腦農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)4個(gè)過程[1]。當(dāng)前，人力資源成本愈發(fā)昂貴，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而使用無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，則是智慧農(nóng)業(yè)獲取信息的主要途徑[2]。在此背景下，本文意在設(shè)計(jì)一種新型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，并利用拉格朗日插值算法標(biāo)定參數(shù)，最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試它的工作性能。

當(dāng)前，已經(jīng)有許多的專家和學(xué)者投入了智慧農(nóng)業(yè)的研究中。現(xiàn)在，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)相結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)[3]。在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)一種依靠太陽能自主供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。目前，如何降低和平衡無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，本文將通過實(shí)驗(yàn)，判斷依靠太陽能供電的節(jié)點(diǎn)是否能夠滿足監(jiān)測(cè)要求從而正常工作。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基本的組成單元，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境的變化[4]，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

本文選用CC2530F256作為核心的單片機(jī)，為了保證每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有基本的信息處理和通信能力，傳感器節(jié)點(diǎn)包括4個(gè)模塊：電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和信號(hào)放大模塊[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中CC2530無線單片機(jī)作為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心板，直接決定了節(jié)點(diǎn)的工作性能的優(yōu)劣。它工作在2.4 GHz頻段，具有出色的擴(kuò)展性能和抗干擾能力[6]。為了能夠可靠地與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，CC2530需要完成傳感器數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸以及與上位機(jī)之間的通信等功能[7]。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊包括電池和太陽能電池，其中，太陽能板需要為可充電式鋰電池供電。在太陽能電池板和限流電路之間有一個(gè)直流-直流變換的過程,目的是獲取光伏電池的最大功率點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)處于供電的最優(yōu)狀態(tài)[8]。鋰電池除了可以為傳感器提供工作電壓，還可以通過穩(wěn)壓電路為CC2530提供一個(gè)低壓電源。CC2530可在2～3.6 V電壓范圍內(nèi)工作，選用一個(gè)3.3 V的穩(wěn)壓電路[9]。此設(shè)計(jì)利用充電模塊保證了節(jié)點(diǎn)的連續(xù)工作，相對(duì)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，最終確保穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)。

2.2 處理器模塊

處理器模塊涵蓋了A/D轉(zhuǎn)換器、射頻收發(fā)器和存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)[10]。CC2530自帶有8路輸入的12位ADC轉(zhuǎn)換器，而且它的功耗較低，尤其是休眠模式下，工作電流僅需2 μA。此外，CC2530芯片在CC2430 等芯片的基礎(chǔ)上增大了存儲(chǔ)容量，信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸能力有了較大提升，從而在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[11]。射頻收發(fā)電路的功能是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送和接收。CC2530單片機(jī)芯片的RF-P與RF-N管腳是一對(duì)差分輸入輸出信號(hào)，本文基于對(duì)實(shí)際應(yīng)用中通信距離、系統(tǒng)功耗等指標(biāo)的綜合考慮，使用不平衡單極子天線，并使用巴倫匹配電路來進(jìn)行射頻收發(fā)信號(hào)的匹配[12]。

使用2個(gè)晶振:高頻的32 MHzt和低頻的32.768 kHz。高頻晶振在射頻收發(fā)時(shí)工作，低頻晶振是為了減少功耗，在芯片睡眠時(shí)關(guān)閉內(nèi)部某些電路，使它們以極低的頻率工作達(dá)到低功耗的目的[13]。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于無線傳感網(wǎng)中的傳感器類型比較多，本文只介紹其中比較常用的。下面選取光敏傳感器、溫濕度傳感器和可燃?xì)怏w傳感器做著重介紹，如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標(biāo)

2.4 信號(hào)放大電路

雖然傳感器的輸出電壓在A/D轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)，但為了提高轉(zhuǎn)換精度，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大電路的使用是本文設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新之處。因?yàn)镺P-07具有輸入偏置電流低、開環(huán)增益高的特性，適合用于放大傳感器的微弱信號(hào)[14]。所以信號(hào)放大模塊主要包括OP-07運(yùn)算放大器和ICL7660極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器，電路采用反相輸入，其放大倍數(shù)約為3倍。極性反轉(zhuǎn)電路如圖2所示，信號(hào)放大電路如圖3所示。

圖2 極性反轉(zhuǎn)電路

圖3 信號(hào)放大電路

傳感器輸出的電壓Vin經(jīng)過信號(hào)放大電路處理后得到Vo并與CC2530的A/D轉(zhuǎn)換口P0_4 相連。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收及處理工作。底層軟件設(shè)計(jì)采用開源Zigbee2007協(xié)議棧Z-Stack-CC2530，該協(xié)議棧提供了可靠、安全、高效的ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

發(fā)送節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖4所示。

圖4 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的主程序流程

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收到發(fā)送數(shù)據(jù)的命令，或者到達(dá)預(yù)先設(shè)定的發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時(shí)間后，就向鄰居匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送連接請(qǐng)求。收到連接請(qǐng)求后，匯聚節(jié)點(diǎn)將根據(jù)自身情況決定是同意連接還是向鄰居匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)連接請(qǐng)求。最終，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)收到一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的回復(fù)消息，包括匯聚節(jié)點(diǎn)的地址和路由情況等。連接成功后，傳感器節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，CC2530調(diào)用指令I(lǐng)STXONCCA將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息，通過ZigBee無線收發(fā)器射頻前端發(fā)送出去[15]。發(fā)送結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)以減少不必要的能量消耗。休眠狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)還會(huì)繼續(xù)監(jiān)測(cè)，等待下一次的發(fā)送命令。

3.2 接收節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收到連接請(qǐng)求后，節(jié)點(diǎn)會(huì)判斷是否接收數(shù)據(jù)。如果節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑上，就建立連接準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。連接成功后，接收節(jié)點(diǎn)通過指令I(lǐng)SRXON開啟射頻接收器，等待接收數(shù)據(jù)直到正確收到數(shù)據(jù)為止，接收節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖5所示。

圖5 接收節(jié)點(diǎn)的主程序流程

3.3 PC端軟件設(shè)計(jì)

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，部署這么多的節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)難度太大，成本很高，所以本文縮減了傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，旨在盡可能真實(shí)地模擬無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。本文借助ekoview 虛擬機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，該系統(tǒng)通過虛擬機(jī)可以直接安裝使用，操作起來簡(jiǎn)單方便。用戶通過上載部署了傳感器的jpeg格式的地圖文件，可直觀地看出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點(diǎn)的粗略位置，如圖6所示。

圖6 部署地區(qū)地圖

新加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)將出現(xiàn)在左側(cè)導(dǎo)航面板，點(diǎn)擊并拖動(dòng)節(jié)點(diǎn)即可將其置于地圖上。基站(下載板)將所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯聚，通過USB串口發(fā)送給上位機(jī)軟件[16]，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集情況如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

4 實(shí)驗(yàn)原理及結(jié)果分析

4.1 傳感器參數(shù)標(biāo)定的方法

傳感器參數(shù)的標(biāo)定主要利用二維的拉格朗日插值算法，拉格朗日插值算法如下：

① 進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，每組重復(fù)進(jìn)行5次，每組取5個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，將得到4組離散數(shù)據(jù)(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。

② 設(shè)函數(shù)為：f(x)=b0(x)*y0+b1(x)*y1+b2(x)*y2+b3(x)*y3，(其中b0(x)，b1(x)，b2(x)，b3(x)都是x的3次多項(xiàng)式)。

③ 當(dāng)x等于x0時(shí)，令b0(x0)=1，b1(x0)=b2(x0)=b3(x0)=0，此時(shí)f(x)=y0。

④ 設(shè)b0(x)=a0*(x-x1)*(x-x2)*(x-x3)，將b0(x0)=1帶入上式得：

⑤ 同理，重復(fù)步驟③和步驟④，可求得b1(x)，b2(x)，b3(x)。

這里以溫濕度傳感器為代表，介紹參數(shù)的標(biāo)定過程。在密閉空間內(nèi)，多次改變環(huán)境的溫濕度，并與傳感器返回的電壓值一一對(duì)應(yīng)。溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，濕度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 濕度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

以x表示返回電壓值，y1和y2分別表示溫度和濕度，可以建立如下關(guān)系式：

(1)

(2)

綜上所述，傳感器輸出的電壓值隨溫濕度的增加而增加，但不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。

4.2 太陽能電池性能測(cè)試

由于本系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)借助太陽能電池供電，為了直觀地反應(yīng)電池和太陽能電池之間的電壓關(guān)系，本文將2組數(shù)據(jù)取出手動(dòng)繪制折線圖。隨機(jī)選取一個(gè)傳感器(這里選取光照傳感器)，每隔5 min讀取一次數(shù)據(jù)。圖8繪制了傳感器在光照充足的條件下(這里選取上午的9:00-10:00)，電池電壓和太陽能電池電壓的變化情況。圖9是將節(jié)點(diǎn)拿至室內(nèi)后的變化情況，推遲半小時(shí)后開始記錄數(shù)據(jù)(選取10:30-11:30)。

圖8 光照充足的條件下，節(jié)點(diǎn)的電壓測(cè)試

圖9 室內(nèi)情況下，節(jié)點(diǎn)的電壓測(cè)試

由圖8和圖9的電壓測(cè)試結(jié)果可以看出：

① 當(dāng)光照充足的條件下，電池電壓穩(wěn)定在3.98 V，太陽能電池的電壓也相對(duì)穩(wěn)定在4.2 V，電量充足，足以滿足傳感器節(jié)點(diǎn)的供電需求；

② 當(dāng)光照不足的情況下，電池電壓雖然較光照充足時(shí)波動(dòng)變大了，但還是穩(wěn)定在3.9 V以上，傳感器的功能不會(huì)受到影響；

③ 光照不足時(shí)，太陽能電池的電壓值降幅很大，但在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍可以穩(wěn)定在3 V左右。

4.3 結(jié)論

綜上所述，由各傳感器的測(cè)量范圍和誤差可知，傳感器能夠?qū)Ω鳝h(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，滿足智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一般的監(jiān)測(cè)需求。由節(jié)點(diǎn)電壓的測(cè)試情況可知，依靠太陽能供電的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)期可靠地采集數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大背景下，以CC2530模塊為硬件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。闡述了節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)原理、太陽能供電的流程、傳感器的標(biāo)定方法及結(jié)果等。經(jīng)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)電壓值穩(wěn)定，可以應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

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李忍忍 男,(1993—),碩士研究生。主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

張正華 男,(1965—),副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：視頻圖像處理及編解碼、實(shí)時(shí)信號(hào)處理等。

Design of Wireless Sensor Nodes Based on CC2530 and Performance Analysis

LI Ren-ren,ZHANG Zheng-hua,LV Dong-fang

(SchoolofInformationEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225000,China)

Traditional wired monitoring system features high labor cost,complex distribution,poor monitoring flexibility,and high energy consumption of wireless sensor nodes.This paper introduces a new type of wireless sensor nodes structure.With the comprehensive utilization of solar energy power supply technology,sensor technology and wireless communication technology,we design a wireless sensor node.It is supplied by solar power to solve the problem of the energy consumption of sensor nodes effectively.Test results show that it provides simple operation and high reliability.And it can satisfy the requirement of environmental parameter acquisition and monitoring work.

solar energy；CC2530；wireless sensor nodes；wisdom agriculture

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.17

李忍忍，張正華，呂東方.基于CC2530的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及性能分析[J].無線電工程,2017,47(4):73-77.

2017-01-08

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金(前瞻性聯(lián)合研究)資助項(xiàng)目(BY2013063-10)；揚(yáng)州市2012年產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)(2012038-8)。

TN919

A

1003-3106(2017)04-0073-05