基于CC2530 的实验平台管理模块设计*

浦 炜，郭 凯

(常熟理工学院，江苏 常熟 215500)

当前高校对开放实验平台的管理还主要停留在人力上，这种方式不仅浪费人力，增加管理成本，而且实验设备的状态信息也得不到及时反馈。鉴于这种现象，基于物联网技术的实验平台管理模块设计就凸显出其实际应用价值。

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 标准的个域网协议，该协议定义了一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术［1］。采用基于CC2530 的ZigBee 无线传输技术设计的实验平台管理模块，可实现实验平台管理数据的自动采集、自动控制平台的运行情况。在物联网发展的大势下，实验室的管理和运作将朝着更加自动化和人性化的方向发展。

1 系统总体方案设计

结合高校开放实验教学管理平台的需求，系统总体设计由三个子系统构成，分别为基于嵌入式Web 的远程实验教学监控系统、基于QtE 界面设计的ARM 主控系统以及基于ZigBee 的实验平台管理模块。前两个模块是对实验平台的本地化和远程化的管理，而平台数据的采集和控制由第三模块实现。总体架构如图1。

图1 系统总体架构

1.1 基于ZigBee 的实验平台管理模块

实验平台管理模块作为系统的一部分，其功能由系统需求而定。以下为具体功能:

1)系统上电后，管理模块以ZigBee 无线的方式实现了实验平台与ARM 主控端的连接。如此避免了布线的麻烦，使系统管理起来更方便。

2)学生可以自主选择实验平台，系统通过管理模块开放相应的实验平台供电。

3)学生在实验过程中，如有信息反馈，可通过管理模块上的输入设备(如按键)来发送反馈信息。

4)管理模块可以采集实验平台传感信息，如温度、工作电流等，反馈给本地或远程监控终端。

1.2 无线通信解决方案

由于实验教学管理平台是通过无线方式管理具体实验平台，从成本、构建复杂度等因素考虑，选择了基于ZigBee的无线网络解决方案。

构建ZigBee 无线通信网络的一种典型的方案是CC2530片上系统和ZigBee 协议栈(Z-Stack)［2］。CC2530 是德州仪器推出的一款用于IEEE 802.15.4、ZigBee 应用的片上系统(SoC)解决方案。CC2530 集成了增强工业标准的8051MCU，能够以极低的成本构建强大的网络节点，使用CC2530 可以很大程度的满足设计要求［3，4］。

2 模块硬件设计

模块的硬件包含基于CC2530 的协调器和节点两部分。协调器主要与主控ARM 系统通过串口通讯，实现控制指令的下发和采集数据的上传。协调器与各节点间通过ZigBee无线网络交换数据。节点部分通过驱动电路实现实验平台的供电控制，采集平台工作状态、学生反馈信息等。

2.1 节点模块硬件框图

协调器和节点均由CC2530 作为核心单元，它是基于IEEE 802.15.4、ZigBee 应用的片上系统(SoC)解决方案。CC2530 采用的是增强工业级8051 内核，提供了一个IEEE 802.15.4 兼容无线收发器，RF 内核控制模拟无线模块，提供MCU 和无线设备之间的接口［5］。CC2530 最小系统包括晶振电路、复位电路、天线匹配电路等。

图2 模块硬件框图

2.2 平台供电控制电路

图3 平台供电控制电路

如图3，继电器的作用是开闭实验平台的电源。模块所选继电器由5 V 电压驱动，通过单片机IO 控制继电器。当IO 输出高电平，三极管达到饱和状态，集电极和射极导通。导通后二者之间压差大约为0.2 V，这就使继电器两输入端的电压约为4.8 V，很接近5 V，完全可以满足需要。

2.3 信息采集电路

图4 按键及状态指示灯电路

按键状态采集，学生可通过按键反馈实验平台运行情况的反馈信息，如图4。

温度的采集依靠CC2530 内部集成温度传感器，可通过寄存器操作实现温度采集。

实验平台工作电流状态的采集采用电流检测芯片ACS712 模块，接入CC2530 的AD 通道实现。

3 模块软件功能设计

管理模块分为协调端和节点终端。协调器主要负责建立网络及网络配置;接收上层实验教学管理系统通过串口发过来的指令，包括电源控制指令、状态信息获取指令、传感数据采集指令等;与节点交互数据。

节点终端的功能则是接收协调器指令，对指令进行解析，然后对相关设备进行操作，或将数据返回给上层协调器。

3.1 ZigBee 网络搭建

ZigBee 无线网络有三种拓扑结构:星型网络、网状结构和簇状结构。系统选择星型网络可以满足功能的需要，只需协调器和终端节点就可实现星型网络。在网络中，协调器建立网络之后，就可充当路由器使用，终端节点则作为数据采集终端。通过ZigBee 协议栈，由选择协议栈的配置文件设定设备类型。系统上电后，协调器自动选择一个信道，接着选择一个网络号，建立网络。网络建立后，协调器就可进行数据路由，充当路由器的角色。路由器进行数据的路由，允许节点加入网络，并可辅助其子节点通信［6］。终端节点主要功能是数据采集，不具有网络维护功能。

3.2 协调器程序设计

协调器软件具体实现功能:建立网络，实现数据的收发。首先存储节点端的地址信息，为向终端节点发送数据做准备。同时，协调器接收终端节点发送过来的传感数据和状态信息，然后通过串口将数据传送给上位机。协调器也从串口接收上位机指令，发送给终端节点，实现对终端的控制。

图5 是协调器程序流程图。

图5 协调端程序流程

3.3 终端节点程序设计

终端节点实现功能:加入网络，实现数据的收发。一方面，终端定时采集传感信息发送给协调器(如图7)，再由协调器传给上位机。另一方面，终端也接收协调器发来的上位机指令，完成相关操作。

终端节点程序具体的工作是接收由协调端发送过来的指令，然后解析指令，进行设备状态获取、开闭设备、启动或停止传感数据采集等操作。另外，终端还可通过按键向协调端发送反馈信息。

终端程序流程图如图6。

图6 终端节点主程序流程

图7 定时中断服务程序流程

4 模块功能测试

对ZigBee 的实验平台管理模块的测试利用串口指令集来调控模块。模块与ARM 系统依靠串口通信，利用串口指令集进行功能调控，简单可靠。

4.1 串口发送数据格式

上位机串口指令长度设计为6 个字节，具体格式定义为:

设备号用于区分向那个模块发送指令，如设备号为0x01 时，就控制对应设备号的实验平台。需要注意的是，若设备号为0xff，表示控制所有实验平台。这用于区分协调端发送数据是单播模式还是广播模式。

自定义命令则是根据模块的功能设计确定的。以下是部分定义的命令。

测试数据如下:

串口指令为:0xff 0xaa 0xbb 0x02 0x05 0x23，表示获取2 号实验平台的使用状态。

串口指令为:0xff 0xaa 0xbb 0xff 0x05 0x23，表示获取所有实验平台的使用状态。

4.2 串口接收数据格式

串口接收到的数据也要具有一定的数据格式，以便于上位机提取信息。

数据长度定义为9 个字节，具体格式如下:

设备地址是指数据返回终端的网络地址，网络地址是一个16 位数据。

数据类型用来标明返回的是哪一类数据。若数据类型值为字符T，表示数据位温度值;若数据类型值为字符S，表示数据位为设备使用状态值。诸如此类。

测试数据如下:

串口接收数据:0x23 0x23 0x02 0x72 0x33 0x54 0x32 0x33 0x26，表示接收到设备2 的温度为23℃。其中0x54 为字符T 的ASCII 码，温度值以字符的形式显示。

串口接收数据:0x23 0x23 0x02 0x72 0x33 0x53 0x00 0x01 0x26，表示接收到设备2 的使用状态信息。0x53 为字符S 的ASCII 码，数据第八位值为0x01，表示设备正在使用，若为0x00，则表示设备关闭。

5 结束语

基于CC2530 的实验平台管理模块，弥补了传统实验平台无法实时监管的弊端，使高校开放实验平台的管理智能化成为可能，具有现实的应用价值。该管理模块采用CC2530为核心处理器，体现了组网便捷、成本较低、充分结合物联网技术实现无线远程监控，将该模块接入上位机即可实现多功能的、便捷化的监控系统，具有很强的可操作性。

［1］原羿，苏鸿根.基于ZigBee 技术的无线网络应用研究［J］.计算机应用与软件，2004，21(6):89－91.

［2］吕西午，刘开华，赵岩.基于ZigBee 的无线监测系统设计与实现［J］.计算机工程，2010，36(5):243－244.

［3］杜焕军，张维勇，刘国田.ZigBee 网络的路由协议研究［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2008，31(10):1617－1621.

［4］任智，李鹏翔，姚玉坤，等.基于分段的ZigBee 网络按需可扩展地址分配算法［J］.通信学报，2012，33(5):131－137.

［5］Texas Instruments.CC2530:A True System-on-Chip Solution for 2.4GHz IEEES02.15.4/ZigBee［OL］.(2005－09－14).http://www.ti.com/

［6］王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee 无线传感器网络设计与实现［M］.北京:化学工业出版社，2012.