基于CC2530的实时环境监测系统设计
2014-03-15徐志国陈正宇
徐志国，陈正宇
(金陵科技学院电子信息工程学院，江苏 南京 211169)
随着无线传感器网络技术的不断发展，其在现代工业和农业等生产过程中的应用也越来越广泛。现代工业或设施农业生产中常监测实时环境中温度、湿度、气体含量等参数，生产过程中的实时环境参数对工业生产的安全、农产品质量尤为重要。对于范围大、面积广、数目多的现场环境监控而言，监测系统的部署与维护，存在成本高昂、技术应用推广难度大等问题。目前的无线环境数据采集装置存在着数据采集的功能相对单一、传输距离近、抗干扰能力比较弱等一些缺点。针对这些问题展开研究，设计了一种基于CC2530的无线环境数据智能监测系统，系统具有稳定高、可靠性强、扩展应用方便等特点，只需选择不同类型的传感器即可构成针对不同应用的无线数据采集系统[1]。
1 系统总体设计
无线环境监测系统由监测工作站、协调器节点和无线传感器监测节点3部分组成。系统结构见图1。
图1 无线监测系统结构Fig.1 The wireless monitoring system
1) 无线传感器监测节点。该传感器节点主要可用于测量环境温度、湿度、气体浓度等参数，部署在需要对环境参数进行检测的场合。传感器监测节点根据系统的设置要求按照固定时间间隔向协调器节点发送监测数据。每个节点都有1个ID编号，根据监测场景的需求，系统将编号和每个节点的安装地点一起存入监测工作站的数据库。
2) 协调器节点。协调器根据传感器节点的部署而进行配置，主要功能是负责接收和显示各无线传感器节点发送的数据。当检测点监测数据超过限定值时，系统进行声光报警，同时通过串口通信将数据上传至监测工作站，并响应监测工作站的命令。
3) 监测工作站。监测工作站负责收集由总线发来的各监测点的数据，实时显示各监测区域监测点的环境数据以及变化曲线，具有查询分析功能，一旦发现参数超过设定阈值时，将启动报警功能提醒工作人员及时响应。
2 无线传感器监测节点设计
2.1 传感器监测节点的总体结构
无线传感器监测节点主要由4部分构成，分别是传感器模块、处理器模块、无线射频模块以及电源管理模块，其结构见图2。
图2 无线传感器监测节点结构Fig.2 The wireless sensor monitoring nodes
无线传感器节点的设计一般有两种设计方案：1) 选择1个主控芯片和1个射频芯片，比如选择430单片机和CC2430无线射频芯片，由于传感器节点是由MCU和无线通信模块的组合，需要设计MCU和射频模块之间的接口，因此系统的兼容性和可靠性比较差；2) 选择集成了主控芯片和射频模块的片上系统芯片，这种方案减少了电路设计的工作量、增加了系统的可靠性，同时减小了节点的体积与重量。因此本系统采用集成MCU和射频收发模块的SOC设计方式，选择TI公司的CC2530为核心来设计传感器节点以便实现节点的微小化和低功耗[2]。
2.2 传感器监测节点的电路设计
TI公司的CC2530是一款支持ZigBee 2007/PRO协议的无线射频芯片，其片上集成单片机、AD转换和无线射频模块。ZigBee 2007/PRO具有支持网状网络和低功耗特点，而且具有更好的互操作性，在节点密度管理、数据负荷管理和频率捷变等方面有都有重大进步[3]。CC2530片内集成压控振荡器，只需要配置晶振、天线等少量的外围元件就能工作，工作频率2.4 GHz。基于CC2530设计的无线传感器节点具有通信距离远、组网性能稳定可靠等优点。CC2530片内集成的DC-DC转换电路，能够把外界提供的3.3 V的电压转化为片内需要的1.8 V电压，因此功耗很低，非常适合用于电池供电的设备。基于CC2530设计的无线传感器监测节点电路如图3所示。节点预留多个传感器接口，方便选择不同类型传感器来构成适应于不同应用的无线传感器数据采集节点[4]。
图3 无线传感器监测节点电路Fig.3 The schematics of wireless sensor monitoring nodes
3 协调器节点设计
协调器节点的主要功能是负责接收和显示各传感器节点测量、发送的数据同时通过串口将数据上传至监测工作站，并响应监测工作站的命令。协调器节点由CC2530作为主控制器，由串口通信接口、LCD模块、蜂鸣器、天线模块、存储器、键盘、时钟及电源模块等部分组成，硬件结构如图4所示。其中，LCD模块主要用于显示传感器的地址编号、相应的数据以及当前时间；存储器用于存储系统的配置参数以及超限报警的传感器信息等；键盘用于切换显示界面、设置系统参数和传感器个数等。当检测点监测数据超限时，系统通过蜂鸣器报警，并通过串口同监测工作站进行通信[5]。
图4 协调器节点硬件结构Fig.4 The hardware structure of coordinator nodes
4 系统软件设计
系统软件主要包括无线传感器监测节点、协调器节点以及监测工作站上位机的软件设计。
4.1 传感器监测节点软件设计
传感器节点主要功能是实现传感信息的采集、转换以及与协调器的通信。监测节点系统软件主要由初始化程序、休眠设置程序、唤醒程序和无线发射程序组成。系统工作流程见图5。首先初始化CC2530及其外部设备后，然后进入休眠状态并打开中断，当接收到低频唤醒中断时，CC2530解析并匹配低频数据，匹配完成后通过传感器节点进行监测数据采集，再经过转换和存储后通过无线发射模块向协调器节点发送数据[6]。
图5 传感器节点软件流程Fig.5 The software flowchart of sensor nodes
4.2 协调器节点的软件设计
协调器节点主要完成接收传感器监测节点发送的数据、系统信息的液晶显示以及按键的处理等任务，同时实现对节点在线情况的询问，完成无线传感器网络与监测工作站上位机的串口通信。组建一个完整的ZigBee网络主要由ZigBee协议栈的网络层来实现，ZigBee网络层主要为新加入的节点分配地址并提供路由发现及路由维护等[7]，其软件流程见图6[8]。
4.3 监测工作站软件设计
监测工作站上位机软件作为无线监测系统中人机交互的重要部分，集监测数据采集、存储、查询于一体。设计采用Visual Basic 6.0软件和Access 2003数据库完成上位机软件开发，系统能完成数据帧接收，定时读取数据库，完成节点信息的实时更新[9]。软件采用模块化的程序设计，分为监测数据采集处理与系统管理两个模块。监测数据采集处理模块负责与协调器通信，用于接收数据和发送指令，并将接收的信息加以处理；系统管理模块包括系统参数设置、监测数据显示、超限报警、查询与报表打印和数据库管理等功能模块。监测系统选用温度传感器构建的无线温度监测系统上位机软件界面如图7所示。
5 系统测试
5.1 温度采集测试
测试方法：使用温度传感器，并由节点完成温度数据采集，协调器通过RS-232直接与PC机连接显示温度值，同时通过电子温度计实际采样测试点温度进行对比。测试结果如表1所示。
图6 协调器节点软件流程Fig.6 The software flowchart of coordinator nodes
图7 监测系统上位机软件Fig.7 The PC software diagram of monitoring system
由上位机显示的温度与实际温度对比可知系统能够实现监测点的温度监测，监测数据绝对误差较小，在允许范围内。
5.2 无线通信测试
测试方法：由下位机不断发射一组数据，上位机接收数据，并计算误码率。测试结果如表2所示。
表2 无线通信测试结果Table 2 The test results of wireless communication
从测试结果可以看出，无线通信的发射数据和接收数据稳定性强，系统的稳定性、准确性达到了设计的要求。
6 结 语
文中设计了一种基于CC2530的无线环境监测系统方案，系统采用超低功耗MCU、无线收发器设计了无线传感器监测节点和协调器节点；同时，监测工作站的上位机软件设计具有良好的人机交互操作界面，具有实时监测、查询功能。系统应用扩展性强，只需选择不同的传感器便可构建不同应用场景的无线监测系统，可广泛应用于工农业生产环境的温度、湿度、气体浓度等环境信息监测，系统成本低、部署方便、精度高、稳定性强，具有良好的应用前景。
[1] 李正民,张兴伟,柳宏川.基于CC2530的温湿度监测系统的设计与实现[J]．测控技术,2013,32(5):25-28
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