一種基于CC2530的無線數據傳輸系統

戴 明

(無錫商業職業技術學院 物聯網與人工智能學院,江蘇 無錫 214153)

在工業生產中,設備對現場環境中的參數要求較高,技術人員必須隨時掌握現場的環境參數,以確保設備正常運轉。傳統的數據傳輸方式以有線傳輸為主,適用于對測量要求不太高的場合,無法適用于實際的工業生產中。隨著傳感器技術和工業物聯網技術的迅速發展,環境參數可以通過LORA組網技術、ZigBee組網技術等來實現無線傳輸,可以在不改變現場布局的情況下對數據進行遠程監控。本研究以溫度采集為例,設計基于CC2530的無線數據傳輸系統,實現對終端節點溫度數據的采集、無線傳輸及顯示。

1 系統總體設計

本系統主要由溫度數據采集節點、ZigBee網絡、協調器節點和監控中心組成。其中,溫度數據采集節點采集本地數據并傳送至單片機;ZigBee網絡實現多個采集點的溫度數據的無線傳輸與接收;協調器節點用來接收各采集點的數據;監控中心用來查看各溫度采集點的數據。

溫度數據采集節點分布于各測試點,負責采集工業現場溫度,各溫度采集點則以協調器為中心組建ZigBee網絡,從而實現數據的無線傳輸。其中,傳感器DS18B20的數據線與單片機CC2530的P0_7引腳相連,單片機接收溫度數據后并進行處理,通過其射頻模塊將數據發送至網絡中的協調器,協調器節點將接收的數據發送至監控中心,從而實現了數據的無線傳輸與顯示。系統網絡結構圖如圖1所示。

圖1 系統網絡結構圖

2 系統硬件設計

2.1 溫度數據采集節點

溫度數據采集節點主要負責現場區域的溫度數據采集、處理及發送,主要包括單片機(含射頻模塊)、溫度傳感器、電源模塊。溫度采集節點硬件框圖如圖2所示。

2.1.1 DS18B20溫度傳感器

DS18B20溫度傳感器有3個引腳:接地、數據和電源。其所測溫度為-55～+125 ℃,采用單總線方式,可與處理器雙向通信[1-2]。

DS18B20與單片機的引腳連接圖如圖3所示。DS18B20的數據引腳輸出的數值精度較高,傳感器采用外部供電,將傳感器數據引腳直接連接到單片機CC2530的P0_7引腳,CC2530單片機根據DS18B20的協議讀取對應的二進制數據,并進行轉換處理。

圖3 DS18B20與單片機的引腳連接圖

2.1.2 單片機CC2530

系統使用TI公司的CC2530單片機,是基于IEEE 802.15.4協議的片上系統[3],該芯片包含了射頻收發模塊,與普通8051單片機相比不需要外接通信模塊。CC2530單片機共40個引腳,其中包括21個通用I/O引腳、4個定時器、2個串行通信接口、8通道12位ADC等,可實現電池監測,支持5種工作模式,且轉換時間短,功耗小。CC2530單片機具有自組網能力,當某個節點出現故障,網絡可進行重組與通信[4]。系統通過單片機CC2530的P0_7引腳采集溫度數據,通過P0_3引腳發送數據。單片機CC2530外圍電路圖如圖4所示。

圖4 單片機CC2530外圍電路圖

2.2 協調器節點

協調器節點主要由CC2530單片機、電平轉換電路和上位機組成。協調器節點硬件框圖如圖5所示。CC2530單片機含有串口,電平為TTL,所以需要通過電平轉換電路,將數據格式進行轉換,以便其與上位機進行通信。FT232 USB UART Board是一種將USB接口轉換為TTL電平的UART串口模塊。該模塊可以將計算機或其他設備的USB接口連接到TTL邏輯電平設備,如單片機、傳感器等,從而實現數據通信。

圖5 協調器節點硬件框圖

3 系統軟件設計

ZigBee基于IEEE802.15.4技術標準,具有低功耗、低成本等優點[5]。本系統采用ZigBee網絡實現數據傳輸,通過協調器建立和管理整個網絡。網絡的拓撲結構主要有3種:星型網、網狀網、樹型網。本系統采用網狀網結構,該網絡結構具有“自恢復”能力,通信距離達200 m。此外,可通過增加中繼路由節點數,延長通信距離。

軟件設計是系統功能實現的關鍵[6],協調器網絡創建成功后,接收終端加入請求,采集節點首先完成底層模塊的初始化,搜索并加入網絡,進入休眠狀態,同時開啟定時器,定時時間到達后進行溫度數據的采集與發送;協調器收到數據后進行數據格式的轉換及傳輸,完成數據的無線傳輸。本系統采用2個終端節點、1個協調器,協調器負責組網接收,終端節點負責采集并傳輸數據。各個終端節點的地址不同,所有網絡中的節點具有相同的信道和PAN ID,但地址各不相同。

3.1 協調器建立網絡

每一個網絡中有一個協調器,它是網絡中的核心設備。協調器的主要作用是負責建立和啟動網絡,當網絡建成后,此時協調器跟普通路由器就沒什么區別了。ZigBee網絡所采用的是免執照工業科學醫療(ISM)頻段,共有3個:868 MHz(歐洲)、915 MHz(美國)、2.4 GHz(全球),我國采用全球通用的2.4 GHz頻段。協調器首先掃描信道并初始化,在成功創建網絡后接收終端的加入請求,分配地址并接收數據,數據經格式轉換后通過串口發送至監控中心。協調器軟件流程圖如圖6所示。

圖6 協調器軟件流程圖 圖7 終端節點軟件流程圖

3.2 溫度數據采集節點軟件設計

在本系統中,終端節點采集溫度數據,可更換傳感器實現不同數據的采集,終端節點在上電后先進行底層模塊的初始化,接著搜索并加入網絡,與協調器通信成功后,發送地址給協調器,等待定時器喚醒,進入數據采集狀態。

終端節點按照設定的時間進行底層數據發送,終端節點的數據主要是DS18B20通過數據引腳傳送給CC2530的P0_7引腳的二進制數據。通過編程對二進制數據進行轉換與處理后,再經過CC2530的射頻模塊將數據發送至協調器,完成數據的傳輸。終端節點軟件流程圖如圖7所示。

4 測試結果

本系統包含1個協調器節點和2個終端溫度數據采集節點,協調器通過串口與監控中心相連,可實時查看終端數據。串口調試助手是專門用來顯示串口數據的,在使用前要先選擇端口號、波特率、數據位、校驗位、停止位。A、B兩個終端節點的3次測量值及FLUKE溫度儀測量值如表1所示。

表1 A、B兩個終端節點的3次測量值及FLUKE溫度儀測量值

由表1可知,串口調試助手顯示的溫度值與FLUKE溫度儀所測數值兩者的誤差在1%內,說明系統測試的數據準確度高。