基于CC2530的無線溫度傳感器網絡的設計探析

于虹

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明，650217）

0 引言

所謂的無線傳感器網絡，實際就是在特定的檢測區域當中進行海量微型傳感器節點的設置，并利用無線通信的方式構建一個自組織網絡，對這種網絡進行應用，能夠對相關領域的發展產生巨大的促進作用，特別是以CC2530為基礎，對無線溫度傳感器網絡進行設計，不僅能夠提升該網絡的穩定性，還能使測溫精度得到顯著的提升，這對于無線溫度傳感器網絡綜合效用的發揮具有非常重要的意義，因此，有必要針對相關內容進行深入的研究。

1 硬件系統構成及設計

本設計主要是由一個ZigBee中心節點以及多個終端節點構成的，其中，環境溫度信息的采集主要由終端節點上設置的溫度傳感器負責，而中心節點在接收到相關信息以后則會向計算機進行反饋。具體網絡結構如圖1。

圖1 網絡結構圖

1.1 終端節點硬件構成

從某種程度上來講，無線傳感器網絡節點屬于微型嵌入式系統，通過各節點的組合能夠為無線傳感網絡構建一個基礎支持平臺。而本設計中的無線傳感器網絡終端節點硬件則主要是由獨立按鍵模塊、傳感器模塊、電源模塊、發光二極管顯示模塊、下載接口模塊以及信息收發模塊構成。

第一，電源模塊。涉及到多個阻容元件、電池接口插針、AMS1117穩壓芯片（輸出電壓3.3V）以及自鎖開關等內容。

圖2 電源模塊原理圖

第二，傳感器模塊。主要應用三位插座接口，其與溫度傳感器的接地管角、數據接口以及電源接口相連接，且電源及數據接口會與一個上拉電阻相連（5kΩ）。由于在本設計當中，使用的是直接插入傳感器的方式，所以應用的線路較短，并不是必須要進行上拉電阻的連接，若測量環境較為惡劣，可以使用較長的導線對終端模塊以及傳感器進行連接，以此來保證收發模塊的工作環境，為處理器的正常運行提供支持，使芯片的使用壽命能夠得到適當的延長。但需要注意的是，在這種情況下，必須要連接上拉電阻。

第三，發光二極管顯示模塊涉及到分壓電阻以及發光二極管兩部分，能夠對程序運行工況進行顯示。

第四，獨立按鍵模塊。該模塊以四角按鍵為主，模塊當中設有上拉電阻，且按鍵能夠與發射模塊進行靈活的連接，在本終端模塊當中涉及到兩路相對獨立的按鍵電路，其中一路主要用于程序調試，另一路則用于復位。

1.2 協調器節點硬件構成

這里的無線傳感器網絡協調器節點在硬件方面主要涉及以下內容，即：RS232串口模塊、獨立按鍵模塊、發光二極管顯示模塊、LCD液晶屏顯示模塊、下載接口模塊、CC2530發射系統以及電源模塊等。具體如圖3所示。

圖3 協調器節點硬件構成圖

在電源模塊方面，協調器與終端節點的構成大致相同，但由于協調器要根據具體要求對網絡當中的信息進行不斷的查詢，所以，需要從外部接入穩定的電源，并且要以終端電源模塊為基礎，加設穩壓源接口。而協調器的獨立按鍵模塊、發光二極管顯示模塊以及下載接口模塊的原理則與終端節點相同，不同的是需要連接4只LED燈，同時也增加了3個獨立按鍵[1]。

LCD液晶模塊是以點陣液晶為主的，按照128X64的標準進行排列，而數據傳輸則需要通過SPI總線傳輸來實現。

RS232串口模塊能夠對計算機以及單片機通信接口進行連接，可以將終端節點反饋回來的溫度閾值、實時溫度以及傳感器ID等信息通過協調器上傳到計算機當中，并由上位機監控軟件進行信息的顯示、分析和儲存。

導航按鍵以A/D讀取模式為主，其鍵值涉及到五個方向，即上、下、左、右以及中間。

2 軟件系統設計及實現

軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

2.1 傳感器節點軟件設計

該項設計涉及到主程序以及數據采集子程序等方面的設計，在對傳感器節點進行通電以后，傳感器會對底層模塊展開初始化處理，在搜索網絡的同時加入其中，并向協調器進行地址信息的發送，隨后開始休眠。而休眠以后，微處理器會將射頻模塊以及傳感器模塊關閉，直到定時器中斷進行喚醒。在定時器發出喚醒信號以后，微處理器開始進入工作狀態，在對溫度信號數據進行采集的同時，會在簡單進行濾波處理以后，向協調器進行數據信息的發送。

對于數據采集方面的子程序而言，讀取MAX6675溫度數據是一項非常關鍵的工作，由于MAX6675和CC2530間是以SPI通信為主的，對數據進行一次全面的讀取，需要消耗16個時鐘周期，而數據讀取操作主要是在SCK下降沿實現的。當MAX6675的CS引腳從高電平變為低電平時，芯片會在數據采樣的同時，進行A/D轉換。而在CS引腳電平從低電平變為高電平時，則A/D轉換會隨之停止，并且會將已經完成轉換的數據向外傳輸。MAX6675的SO端口能夠進行16位數據的輸出。其中D0位是三態，D1位是MAX6675標識符，D2位用于進行熱電偶斷線情況的測試，D3-D14主要是溫度數據，D15則沒有實際作用。而12位數據位所對應的溫度值則包括1023.75℃的最大值和0℃的最小值。在熱電偶進行溫度讀取時，芯片會在初始化延遲一段時間以后將AD轉換完成，隨后CS會置于0，并進行16位數據的輸出，而通過16位數據的讀取即可獲得12位溫度數據。

2.2 協調器節點程序

在網絡的各節點當中，都會涉及到一個16位的短地址和64位的長地址，其中，前者負責網絡設備通信，后者則負責與外部網絡進行通信。而數據傳送是以主從節點方式為主的，連接計算機的即為主節點，其他節點則為從節點，通過從節點能夠將中斷請求發送至主節點。

該節點程序涉及到節點的初始化、網絡的構建、傳感器節點溫度數據的接收。在完成相關數據接收以后，會通過串口向主機進行數據的發送。而協調器節點在初始化以后，會對信道進行選擇，并對協調器地址進行設置，同時，開始進行無線網絡的監聽，如果收到新節點加入申請，則會為節電設備安排端口，如果接收到相關數據，則會在簡單處理以后經由串口向主機發送，從而進行深入的處理[2]。

2.3 組網

第一，需要對協調器進行通電，將網絡初始化完成，并對信道進行優選，為自身網絡選擇一個網絡標識，同時按照相應的傳輸周期，向周圍進行數據包的發送。

第二，將終端節點通電，各節點首先會通過信道能量掃描，從周圍環境中選擇一個具有較強適用性的信道，并進行網絡搜尋。

第三，在協調器對終端節點數據包進行接收以后，會將一個涉及自身IEEEMAC地址的超幀發送出去。

第四，終端節點在對超幀進行接收以后，需要保存協調器的MAC地址，同時要根據這個地址將一個數據包發送至協調器當中，發送該數據包的主要目的就是為了對加入網絡進行尋找。

第五，在協調器對Data Request進行接收以后，會優先通過NWK層算法進行網絡短地址的分配，并將一個涵蓋其網絡短地址的數據包發送至終端節點，而這個數據包是借助MAC地址來進行發送的。

第六，終端節點在收到含有網絡短地址的數據包以后，會對自身的短地址進行配置，這時可以利用這個短地址與協調器展開通信，在這種情況下，終端節點就已經完成了網絡的加入[3]。

3 系統測試

3.1 功能測試

將協調器程序導入一個節點當中作為協調器，同時，要將傳感節點程序導入到幾個節點當中當做傳感器終端，通過系統測試，可以確定各終端均可正常加入網絡，并且可以對數據進行正常的收發，基本可以判定系統是完好的[4]。

3.2 節點測試

第一，無障礙傳輸距離測試。該項測試工作需要在空曠的室外環境進行，需要先將協調器打開，并進行無線網絡的構建，然后將終端節點設備打開，將其作為電壓信息以及溫度信息的參考節點。最后將另一終端節點打開，并對其進行移動，確定5個測試距離，在移動測試的過程中，需要借助計算機對該節點接收的數據進行記錄和保存，并在完成測試以后，對數據進行統計分析。

第二，有障礙傳輸距離測試。該項工作需要在室內隔墻環境中進行，測試步驟和無障礙的測試基本相同。將協調器打開以后，進行無線網絡的構建，同時要在協調器旁將一個終端節點設備打開，將其作為電壓及溫度信息的參考節點。然后將另一終端節點打開，并對其進行移動，確定5個測試距離，并對移動過程中的節點數據接收效果展開測試，數據的記錄和保存工作由上位機來完成，且在完成測試以后要進行數據的統計和分析[5]。

在進行上述測試工作時，有隔墻的時候存在信號不強的情況，之所以會出現這種情況，可能是受到天線設計影響造成的，而本文針對終端設備應用的天線主要是PCB天線，若對帶桿狀天氣的射頻模塊進行應用，則可以獲得更好的接收效果。

4 結語

以CC2530為基礎對無線溫度傳感器網絡進行設計，能夠使無線溫度傳感器網絡的性能得到進一步的優化，這對于工藝領域的發展具有至關重要的作用，因此，相關領域必須要對該項內容進行深入的研究，使其能夠在現代社會發展中發揮更大的作用。