基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad 物联网应用方案设计

周 鹏， 张庆华， 胡子童， 朱邦亮， 张明艳

(1.安徽工程大学 电气工程学院， 安徽 芜湖 241000；2.中国联合网络通信有限公司烟台市分公司， 山东 烟台 264000 )

对于一般的物联网应用设备，其系统核心是嵌入式MCU结合Wi-Fi等无线技术，但传统的设备连接到物联网(Internet of Things，IoT)需要进行智能升级。另外Wi-Fi因其高速度的优点和高功耗的缺点，一直以来被认为只能在手机、平板电脑、笔记本电脑和台式机等设备中使用。如今，物联网带来的巨大市场机会让Wi-Fi标准的制造业者加紧了创新的步伐，德州仪器(Texas Instruments，TI)推出的面向物联网应用的新型SimpleLinkTMWi-Fi® CC3200平台，具有低功耗、高度的灵活性和全集成三大特征，将在智能家居和楼宇自动化、智能能源处理、多媒体传输、保密/安防和工业M2M通信等领域发挥重要作用。该平台具有内置可编程MCU的单芯片Wi-Fi解决方案，具有业界最低功耗(适用于电池供电式设备，当使用间歇式连接模式时，用两节AA电池可以工作一年)，以及低功耗射频和高级低功耗模式，支持快速连接、云支持以及安全协议，有助于用户快速完成物联网应用方案的简易型开发[1]。

本文使用TI公司推出的CC3200 LaunchPad作为一个设备，充分利用CC3200集成的可编程ARM Cortex-M4 MCU，允许用户添加代码，以及该设备的快速连接、云支持和片上Wi-Fi等优点，设计基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad的物联网应用方案。在程序正常运行时，通过无线网络接入互联网，用户可以在任何一个有网络的地方登录云服务器，远程查看CC3200 LaunchPad检测的温度测量值和加速度测量值，通过网页上的按键，远程控制CC3200 LaunchPad上的LED灯，从而快速实现基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad物联网的应用。

1 整体系统设计

图1所示为系统的结构框图。在系统正常工作过程中，温度传感器和加速度传感器采集的数据经过CC3200处理，再通过CC3200内置Wi-Fi网络处理器与手机或PC端无线连接，把本地传感数据上传到云端，网页上有开关选项可实现远程控制本地设备(CC3200 LanuchPad)的LED指示灯。

图1 方案设计结构框图

2 系统的硬件设计

2.1 CC3200 LaunchPad套件特点

TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad有如下特点：单芯片Wi-Fi解决方案；40-Pin LaunchPad标准扩展引脚；Micro USB接口可用于供电和调试；支持串口Flash编程；支持四线JTAG和二线SWD；2个按键和3个LED灯可供用户使用；虚拟串口，通过PC的USB口进行UART通信；含有加速度和温度传感器(IIC总线通信)[2]。

2.2 CC3200 LaunchPad硬件电路设计

CC3200 LaunchPad是一个低功耗的评估平台，集成了高性能微处理器CC3200、传感器、BoosterPack插入式模块、电源管理电路、仿真电路、JTAG/SWD转换电路、LED指示灯电路、异步串行接口电路、用户按键控制及复位电路等。

2.2.1 CC3200时钟源电路

CC3200需要两个独立的时钟源：以32.768 kHz频率运行的慢速时钟源用于实时时钟RTC；以40 MHz频率运行的快速时钟源用于内部处理器和网络处理器子系统。电路设计原理图分别如图2和图3所示。慢速时钟频率的精度必须是32.768 kHz±150 ppm，实时时钟RTC可以对外提供对系统现有的时钟复用和降低整体成本及功耗。快速时钟频率的精度要求为40 MHz±25 ppm，支持基于晶体的快速时钟，使得低成本的晶振作为时钟源成为可能。

图2 RTC晶振连接电路图 图3 快速时钟晶振连接电路图

2.2.2 RF外围电路

CC3200的芯片集成度高，外围只需要非常少的阻抗匹配电路和天线就可以实现射频收发[3]。外围电路具体元件及参数如图4所示。该系统包含802.11b/g/n射频、基带，优化后的天线设计使得传输距离远(空旷地典型距离200 m)。

图4 CC3200 RF外围电路图

2.2.3 按键控制及复位电路

CC3200 LaunchPad上有3个按键，分别是复位按键SW1、用户按键SW2和SW3。当用户按下按键时，会接通高电平。复位按键SW1(RESET)可复位CC3200到起始状态，同时复位信号还接到了扩展引脚(BOOSTER PACK)上及仿真器(Emulator)上。

2.2.4 传感器的选择

本设计方案中系统采用的是TI公司的单芯片无源红外线(IR)MEMS非接触式温度传感器TMP006和Bosch Sensortec公司推出的三轴重力加速度传感器BMA222[4]。TMP006为便携式消费类电子产品实现非接触温度测量功能，片上MEMS热电堆传感器、信号调节功能、16位模数转换器(ADC)、局部温度传感器以及各种电压参考，可为非接触温度测量提供完整数字解决方案。BMA222是目前最小的LGA封装电子加速传感器，是一技术成熟的三轴重力传感器，具有四段式±2 g到±16 g的可程式测量范围，以及可辨识特定移动型态的整合式分析装置。

3 软件设计

3.1 Exosite Cloud程序设计

本设计是基于TI CC3200 LaunchPad的物联网(IoT)应用方案设计，由TI合作网站Exosite提供云平台服务，从而实现云端查看传感数据，远程控制CC3200 LaunchPad上的LED灯。首先，CC3200需要通过一个无线网络接入互联网，这样才能把本地传感数据上传到由TI和Exosite合作提供的云服务器，所以Exosite Cloud程序的关键在于对CC3200进行智能配置连上Wi-Fi热点。Exosite Cloud项目程序流程如图5所示。CC3200首先配置为站点模式，扫描并存储接入点信息；然后配置为接入点模式，当Wi-Fi站点浏览网页时，将扫描到的接入点名称通过GET标记发送到网页进行显示，供Wi-Fi站点进行选择配置，配置完成后通过POST标记将配置信息发回；最后利用配置信息连接接入点[6]。

图5 Exosite Cloud项目程序流程图

3.2 软件的调试及运行结果

当用户将设备添加完成后，即可在网页上看到 CC3200 LaunchPad 的运行结果，如图6所示。从图中可以看出，本文所设计的基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad物联网的应用方案主要可实现以下功能：温度显示，用户按键操作，加速度显示，远程控制板LED灯。

图6 CC3200 LaunchPad的运行结果显示图

4 结 语

本设计实现了基于TI Simplelink Wi-Fi MCU CC3200为核心的物联网应用系统，充分利用它的内部资源，减少了程序冗余量，提高了运行效率，避免了复杂的片外硬件搭建。系统集成的温度传感器及加速度传感器，可实现对环境温度的测量。可检测板卡受到外力作用而引起的加速度变化，并通过CC3200 Wi-Fi片上互联网功能实现本地传感数据上传到云端，并能在网页端控制板卡上的LED灯及查看设备状态。

[1] 于寅虎.嵌入式Wi-Fi实现更低功耗挺进工业通信市场[J].电子产品世界,2014(7):72.

[2] 张耀峰.基于CC3200的数据采集无线传输系统的设计与实现[D].太原:中北大学,2017.

[3] 郭书军,田志鹏.基于单片Wi-Fi MCU CC3200的无线串口[J].仪表仪器用户,2016(1):23-27.

[4] 苗敏敏,周治平,王杰锋.基于加速度传感器的手机用户认证方法[J].计算机工程与科学,2015,37(3):508-513.

[5] 许艳丹,张前进.基于物联网的智慧图书馆研究[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2016,32(1):50-53.

[6] 郭书军.ARM Cortex-M4+Wi-Fi MCU应用指南[M].北京:电子工业出版社,2015:217-218.

[7] 郭书军,田志鹏.基于单片Wi-Fi MCU CC3200的无线串口[J].仪器仪表用户,2016,23(1):24-27.