基于CC2530的無線傳感器節(jié)點的設(shè)計及性能分析

李忍忍，張正華，呂東方

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225000)

基于CC2530的無線傳感器節(jié)點的設(shè)計及性能分析

李忍忍，張正華，呂東方

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225000)

針對人力成本較高的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)布線繁雜、監(jiān)測靈活性差及以往無線傳感器節(jié)點能耗較高等問題，介紹了一種新型的無線傳感器節(jié)點的結(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)計了一種依靠太陽能自主供電的無線傳感器節(jié)點，有效解決了傳感節(jié)點能耗的問題。經(jīng)測試，人機交互操作簡單，節(jié)點可靠性高，可以滿足環(huán)境參數(shù)采集和監(jiān)測工作的要求。

太陽能；CC2530；無線傳感器節(jié)點；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)、精準農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)4個過程[1]。當前，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，而使用無線傳感器節(jié)點構(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)計一種新型的無線傳感器節(jié)點，并利用拉格朗日插值算法標定參數(shù)，最后通過實驗測試它的工作性能。

當前，已經(jīng)有許多的專家和學者投入了智慧農(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)測相結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)實[3]。在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計一種依靠太陽能自主供電的無線傳感器節(jié)點。目前，如何降低和平衡無線傳感器節(jié)點的能耗已經(jīng)成為一個研究熱點，本文將通過實驗，判斷依靠太陽能供電的節(jié)點是否能夠滿足監(jiān)測要求從而正常工作。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

無線傳感器節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)最基本的組成單元，用于實時監(jiān)測作物生長環(huán)境的變化[4]，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

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

2 硬件設(shè)計

設(shè)計中CC2530無線單片機作為整個節(jié)點的核心板，直接決定了節(jié)點的工作性能的優(yōu)劣。它工作在2.4 GHz頻段，具有出色的擴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)點進行無線通信，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)信號的傳輸以及與上位機之間的通信等功能[7]。

2.1 電源模塊設(shè)計

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直流-直流變換的過程,目的是獲取光伏電池的最大功率點，使節(jié)點處于供電的最優(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提供一個低壓電源。CC2530可在2～3.6 V電壓范圍內(nèi)工作，選用一個3.3 V的穩(wěn)壓電路[9]。此設(shè)計利用充電模塊保證了節(jié)點的連續(xù)工作，相對延長節(jié)點的使用壽命，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)器和存儲器，負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(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)上增大了存儲容量，信號和數(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)電路的功能是對傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行無線發(fā)送和接收。CC2530單片機芯片的RF-P與RF-N管腳是一對差分輸入輸出信號，本文基于對實際應(yīng)用中通信距離、系統(tǒng)功耗等指標的綜合考慮，使用不平衡單極子天線，并使用巴倫匹配電路來進行射頻收發(fā)信號的匹配[12]。

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

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊負責監(jiān)測區(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氣體傳感器做著重介紹，如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標

2.4 信號放大電路

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，需要對信號進行放大。放大電路的使用是本文設(shè)計的一個創(chuàng)新之處。因為OP-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[14]。所以信號放大模塊主要包括OP-07運算放大器和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，信號放大電路如圖3所示。

圖2 極性反轉(zhuǎn)電路

圖3 信號放大電路

傳感器輸出的電壓Vin經(jīng)過信號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)點軟件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點需要進行大量的數(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)議實現(xiàn)方法。

3.1 發(fā)送節(jié)點的軟件設(shè)計

發(fā)送節(jié)點的主程序流程如圖4所示。

圖4 發(fā)送節(jié)點的主程序流程

當傳感器節(jié)點收到發(fā)送數(shù)據(jù)的命令，或者到達預先設(shè)定的發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時間后，就向鄰居匯聚節(jié)點發(fā)送連接請求。收到連接請求后，匯聚節(jié)點將根據(jù)自身情況決定是同意連接還是向鄰居匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個連接請求。最終，傳感器節(jié)點會收到一個匯聚節(jié)點的回復消息，包括匯聚節(jié)點的地址和路由情況等。連接成功后，傳感器節(jié)點即進入發(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)點及時進入休眠狀態(tài)以減少不必要的能量消耗。休眠狀態(tài)下，傳感器節(jié)點還會繼續(xù)監(jiān)測，等待下一次的發(fā)送命令。

3.2 接收節(jié)點的軟件設(shè)計

當傳感器節(jié)點收到連接請求后，節(jié)點會判斷是否接收數(shù)據(jù)。如果節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑上，就建立連接準備接收數(shù)據(jù)。連接成功后，接收節(jié)點通過指令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)點的主程序流程如圖5所示。

圖5 接收節(jié)點的主程序流程

3.3 PC端軟件設(shè)計

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量巨大，部署這么多的節(jié)點實驗難度太大，成本很高，所以本文縮減了傳感器節(jié)點的數(shù)量，旨在盡可能真實地模擬無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運行情況。本文借助ekoview 虛擬機系統(tǒng)進行模擬，該系統(tǒng)通過虛擬機可以直接安裝使用，操作起來簡單方便。用戶通過上載部署了傳感器的jpeg格式的地圖文件，可直觀地看出整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點的粗略位置，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)點將出現(xiàn)在左側(cè)導航面板，點擊并拖動節(jié)點即可將其置于地圖上。基站(下載板)將所有傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)匯聚，通過USB串口發(fā)送給上位機軟件[16]，實時數(shù)據(jù)采集情況如圖7所示。

圖7 實時數(shù)據(jù)采集

4 實驗原理及結(jié)果分析

4.1 傳感器參數(shù)標定的方法

傳感器參數(shù)的標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 進行4組實驗，每組重復進行5次，每組取5個數(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次多項式)。

③ 當x等于x0時，令b0(x0)=1，b1(x0)=b2(x0)=b3(x0)=0，此時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應(yīng)。溫度傳感器的測量數(shù)據(jù)如表2所示，濕度傳感器的測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 溫度傳感器測量數(shù)據(jù)

表3 濕度傳感器測量數(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，但不是嚴格的線性關(guān)系。

4.2 太陽能電池性能測試

由于本系統(tǒng)中節(jié)點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)取出手動繪制折線圖。隨機選取一個傳感器(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)點拿至室內(nèi)后的變化情況，推遲半小時后開始記錄數(shù)據(jù)(選取10:30-11:30)。

圖8 光照充足的條件下，節(jié)點的電壓測試

圖9 室內(nèi)情況下，節(jié)點的電壓測試

由圖8和圖9的電壓測試結(jié)果可以看出：

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

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

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

4.3 結(jié)論

綜上所述，由各傳感器的測量范圍和誤差可知，傳感器能夠?qū)Ω鳝h(huán)境參數(shù)進行采集，滿足智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一般的監(jiān)測需求。由節(jié)點電壓的測試情況可知，依靠太陽能供電的傳感器節(jié)點能夠長期可靠地采集數(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)計了一種新型的無線傳感器節(jié)點。闡述了節(jié)點的軟硬件設(shè)計原理、太陽能供電的流程、傳感器的標定方法及結(jié)果等。經(jīng)測試，本文設(shè)計的傳感器節(jié)點供電系統(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)、實時信號處理。

張正華 男,(1965—),副教授，碩士生導師。主要研究方向：視頻圖像處理及編解碼、實時信號處理等。

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)點的設(shè)計及性能分析[J].無線電工程,2017,47(4):73-77.

2017-01-08

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金(前瞻性聯(lián)合研究)資助項目(BY2013063-10)；揚州市2012年產(chǎn)學研合作專項(2012038-8)。

TN919

A

1003-3106(2017)04-0073-05