基于ARM的無線溫度傳感器網絡設計

閆明明， 郭 濤， 鮑愛達

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室;儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

從傳統的工農業生產到航天科技，溫度的準確測量與傳輸都有至關重要的作用［1］。傳統的有線測試與傳輸方法存在布線復雜、造價高、數據不準確等問題。而且有的測試環境惡劣，測試人員難以靠近，遠距離信號傳輸會出現安裝麻煩、線路復雜、受干擾較多等缺點，會造成信號噪聲過大、信號失真，甚至會出現采集到的信號無效的情況［2］。本文設計的無線溫度傳感器網絡解決了以上問題，可以同時對不同區域進行溫度監測并進行遠距離低損耗的傳輸。

1 硬件框架結構

1.1 總體硬件方案框架

該無線傳感器網絡如圖1所示，包含3個節點和一個協調器，協調器具有建立Zigbee無線網絡、數據顯示、溫度測量和存儲數據的功能，節點具有溫度測量和加入Zigbee網絡和協調器通信的功能［3］。

1.2 協調器硬件框架

協調器使用5 V電源供電，總體分為ARM和RF兩個部分，RF部分負責接收其他節點溫度數據和采集本芯片溫度數據，然后將其通過SPI傳送給ARM并判斷是否需要報警，主芯片采用TI公司的CC2530無線SOC［4］。ARM部分負責接收溫度數據顯示到LCD之上，并保存進 SD卡，主芯片采用 NXP公司的LPC1114［5］。協調器硬件框架圖如圖2所示。

圖1 總體硬件方案框架圖

圖2 協調器硬件框架圖

1.3 節點硬件框架

在圖3中，節點使用兩節1.5 V干電池供電，RF主芯片也采用CC2530，節點的主要功能即采集周圍環境溫度，并搜索網絡，將數據傳送給網絡的協調器，并根據事先設定的閾值判斷是否報警。

圖3 傳感器節點硬件框架圖

2 系統硬件設計

2.1 電源供給電路

在圖4所示的電路中，協調器 CC2530以及LPC1114均可在3.3 V電源供給下工作，所以系統只需要3.3 V供電即可。下表為主要器件耗電電流。

通過表1可知電源模塊不需要提供＞200 mA的電流輸出。系統通過MicroUSB輸入5 V電源，通過LDO AMS1117-3.3取得3.3 V電源，輸入輸出壓差為1.7 V，在此工作狀態下AMS1117可提供1.125 A的電流，完全有能力為整個系統供電［6］。供電模塊前后級均使用鉭電容配合貼片陶瓷電容進行濾波，使得電路板尺寸更小，電源抗噪聲能力增加，系統壽命更持久［7］。

圖4 電源模塊原理圖

表1 主要器件最大工作電流

2.2 時鐘電路

整個無線傳感器網絡系統使用3個時鐘，如圖5所示，12 MHz的時鐘提供給LPC1114，32 MHz時鐘提供給射頻SOC CC2530，32.768 kHz時鐘為CC2530提供更加精確的定時器精度［8］。

圖5 時鐘產生電路圖

所有的時鐘產生電路都很類似，差別在于石英晶體的振蕩頻率和負載電容值不同。查器件手冊可得各不同石英晶體振蕩器的負載電容值。

式中:CL為石英晶體振蕩器的負載電容，可以查手冊得到;C為石英晶體振蕩器對地的2個電容值;Cparasitic為PCB布線寄生電容和IC時鐘引腳內部電容值之和。

2.3 報警電路

在圖6中采用有源電磁式蜂鳴器，只要通以25 mA直流電流即可發出聲響。UCC=3.3 V，MOS管完得到負載電容值之后可根據以下公式計算晶振對地的電容值。全導通時DS壓降幾乎為0，DS電阻也為毫歐姆級，皆可忽略不計，于是計算得到:

圖6 蜂鳴器報警電路

2.4 射頻天線電路

由于CC2530天線輸出是特征阻抗為(69+j29)Ω的平衡天線信號，而本系統采用的天線為50 Ω 7Dbi的全向非平衡天線，故圖7中L1、L2、C5、C7構成巴倫，進行射頻信號的平衡到非平衡轉換的同時進行阻抗轉換。電路中C4、C8的作用是為了抵消CC2530輸出的感性分量和PCB板寄生電感，C6將巴倫和天線進行耦合［9］。

圖7 射頻天線電路

2.5 復位電路

由于LPC1114為低電平復位，所圖8中復位引腳通過R6上拉保持高電平，當微動開關按下時，復位引腳被強行拉底，從而觸發LPC1114的復位中斷進行復位。C12的作用是當S1提供最小低電平保持時間以保證100%復位，因為如果低電平持續時間過短時可能會復位失敗［10］。

圖8 復位電路

時間常數UCC=3.3 V，假設0 ～1.2 V 為低電平，即UC=1.2 V，根據公式:

可得t=22 ns≥20 ns，滿足LPC1114復位時要求低電平脈沖寬度大于20 ns的要求［11］。

3 系統軟件設計

3.1 協調器軟件設計

在圖9中，CC2530上電后隨即初始化UART和SPI接口，設定波特率、端口信息、主從設置。隨后將片內溫度傳感器和內部ADC連接，并初始化ADC和溫度傳感器［12］。通過調用basicRfInit()函數根據事先設定好的PANID、信道、本地地址對射頻部分硬件進行初始化，完畢后開啟數據接收，將通過射頻接收到的溫度數據和本地溫度數據通過SPI接口發送給LPC1114。

圖9 協調器軟件流程圖

LPC1114上電后，調用函數init_timer()初始化定時計數器0，調用enable_timer32()啟用定時計數器0。然后初始化GPIO口，對GPIO口進行操作初始化LCD液晶顯示器，LCD初始化完畢后立刻進入到SPI初始化階段中，隨后進入無限的更新溫度到LCD的循環當中［13］。當CC2530通過SPI發送數據到LPC1114后，LPC1114即會產生SPI0中斷請求，隨即進入中斷服務函數，將CC2530發送的數據解碼成溫度數據并保存在變量 temp1、temp2、temp3 中。

3.2 節點軟件設計

在圖10中CC2530上電后隨即初始化UART和SPI接口，設定波特率、端口信息、主從設置。隨后將片內溫度傳感器和內部ADC連接，并初始化ADC和溫度傳感器。通過調用basicRfInit()函數根據事先設定好的PANID、信道、本地地址對射頻部分硬件進行初始化，完畢后將溫度數據通過射頻發送給協調器。

圖10 傳感器節點軟件流程圖

4 調試及結果

4.1 傳輸距離測試

為了驗證無線傳感器網絡的傳輸能力，分別在房間內與室外進行距離測試。房間內以墻壁作為間隔，每隔一扇墻壁放置一個傳感器節點;室外選擇一條較筆直的地鐵軌，將其中一個節點置于鐵軌上，手持協調器，一邊走一邊將協調器復位，測試結果見下表。

表2 數據出錯率

當相隔3個房間以上的時候，數據出錯率快速上升，這是因為墻壁吸收了無線電信號所致［14］。室外距離采用手持GPS測得，距離測試圖如11所示。

圖11 距離測試圖

4.2 精度測試

為了降低造價，溫度傳感器采用了CC2530芯片內部的內置溫度傳感器，所以精度相對于標準溫傳感器比較低，現在對溫度傳感器進行精度測試［15］。

表3為精度測試結果。

表3 精度測試結果

溫度傳感器節點的測試精度達到了1.39%，可以看出CC2530的內置溫度傳感器還是可以比較精確的完成待測區域的溫度測量任務的。

4.3 組網測試

本測試主要對無線溫度傳感器網絡進行自組網測試［16］，將傳感器節點1、2、3 分別置于不同溫度的待測區域，將協調器復位，三個區域的溫度均在協調器上正常顯示，實驗結果見圖12所示。

圖12 自組網測試圖

5 結語

本文設計的無線溫度傳感器網絡可以對多處遠距離區域進行溫度測試，測試結果良好。但是因為溫度傳感器采用CC2530芯片的內置溫度傳感器，精度不是很好，在精度要求特別高的場合，本系統可以采用高精度的溫度傳感器進行溫度測量，并將測量數據進行無線傳輸。在不久的將來，無線傳感器網絡必將慢慢取代傳統的測試方法成為測試領域的主流。

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