基于CC2530的无线温度传感器网络的设计探析

2021-06-28于虹

电子测试 2021年1期

于虹

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明，650217）

0 引言

所谓的无线传感器网络，实际就是在特定的检测区域当中进行海量微型传感器节点的设置，并利用无线通信的方式构建一个自组织网络，对这种网络进行应用，能够对相关领域的发展产生巨大的促进作用，特别是以CC2530为基础，对无线温度传感器网络进行设计，不仅能够提升该网络的稳定性，还能使测温精度得到显著的提升，这对于无线温度传感器网络综合效用的发挥具有非常重要的意义，因此，有必要针对相关内容进行深入的研究。

1 硬件系统构成及设计

本设计主要是由一个ZigBee中心节点以及多个终端节点构成的，其中，环境温度信息的采集主要由终端节点上设置的温度传感器负责，而中心节点在接收到相关信息以后则会向计算机进行反馈。具体网络结构如图1。

图1 网络结构图

1.1 终端节点硬件构成

从某种程度上来讲，无线传感器网络节点属于微型嵌入式系统，通过各节点的组合能够为无线传感网络构建一个基础支持平台。而本设计中的无线传感器网络终端节点硬件则主要是由独立按键模块、传感器模块、电源模块、发光二极管显示模块、下载接口模块以及信息收发模块构成。

第一，电源模块。涉及到多个阻容元件、电池接口插针、AMS1117稳压芯片（输出电压3.3V）以及自锁开关等内容。

图2 电源模块原理图

第二，传感器模块。主要应用三位插座接口，其与温度传感器的接地管角、数据接口以及电源接口相连接，且电源及数据接口会与一个上拉电阻相连（5kΩ）。由于在本设计当中，使用的是直接插入传感器的方式，所以应用的线路较短，并不是必须要进行上拉电阻的连接，若测量环境较为恶劣，可以使用较长的导线对终端模块以及传感器进行连接，以此来保证收发模块的工作环境，为处理器的正常运行提供支持，使芯片的使用寿命能够得到适当的延长。但需要注意的是，在这种情况下，必须要连接上拉电阻。

第三，发光二极管显示模块涉及到分压电阻以及发光二极管两部分，能够对程序运行工况进行显示。

第四，独立按键模块。该模块以四角按键为主，模块当中设有上拉电阻，且按键能够与发射模块进行灵活的连接，在本终端模块当中涉及到两路相对独立的按键电路，其中一路主要用于程序调试，另一路则用于复位。

1.2 协调器节点硬件构成

这里的无线传感器网络协调器节点在硬件方面主要涉及以下内容，即：RS232串口模块、独立按键模块、发光二极管显示模块、LCD液晶屏显示模块、下载接口模块、CC2530发射系统以及电源模块等。具体如图3所示。

图3 协调器节点硬件构成图

在电源模块方面，协调器与终端节点的构成大致相同，但由于协调器要根据具体要求对网络当中的信息进行不断的查询，所以，需要从外部接入稳定的电源，并且要以终端电源模块为基础，加设稳压源接口。而协调器的独立按键模块、发光二极管显示模块以及下载接口模块的原理则与终端节点相同，不同的是需要连接4只LED灯，同时也增加了3个独立按键[1]。

LCD液晶模块是以点阵液晶为主的，按照128X64的标准进行排列，而数据传输则需要通过SPI总线传输来实现。

RS232串口模块能够对计算机以及单片机通信接口进行连接，可以将终端节点反馈回来的温度阈值、实时温度以及传感器ID等信息通过协调器上传到计算机当中，并由上位机监控软件进行信息的显示、分析和储存。

导航按键以A/D读取模式为主，其键值涉及到五个方向，即上、下、左、右以及中间。

2 软件系统设计及实现

软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

2.1 传感器节点软件设计

该项设计涉及到主程序以及数据采集子程序等方面的设计，在对传感器节点进行通电以后，传感器会对底层模块展开初始化处理，在搜索网络的同时加入其中，并向协调器进行地址信息的发送，随后开始休眠。而休眠以后，微处理器会将射频模块以及传感器模块关闭，直到定时器中断进行唤醒。在定时器发出唤醒信号以后，微处理器开始进入工作状态，在对温度信号数据进行采集的同时，会在简单进行滤波处理以后，向协调器进行数据信息的发送。

对于数据采集方面的子程序而言，读取MAX6675温度数据是一项非常关键的工作，由于MAX6675和CC2530间是以SPI通信为主的，对数据进行一次全面的读取，需要消耗16个时钟周期，而数据读取操作主要是在SCK下降沿实现的。当MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时，芯片会在数据采样的同时，进行A/D转换。而在CS引脚电平从低电平变为高电平时，则A/D转换会随之停止，并且会将已经完成转换的数据向外传输。MAX6675的SO端口能够进行16位数据的输出。其中D0位是三态，D1位是MAX6675标识符，D2位用于进行热电偶断线情况的测试，D3-D14主要是温度数据，D15则没有实际作用。而12位数据位所对应的温度值则包括1023.75℃的最大值和0℃的最小值。在热电偶进行温度读取时，芯片会在初始化延迟一段时间以后将AD转换完成，随后CS会置于0，并进行16位数据的输出，而通过16位数据的读取即可获得12位温度数据。

2.2 协调器节点程序

在网络的各节点当中，都会涉及到一个16位的短地址和64位的长地址，其中，前者负责网络设备通信，后者则负责与外部网络进行通信。而数据传送是以主从节点方式为主的，连接计算机的即为主节点，其他节点则为从节点，通过从节点能够将中断请求发送至主节点。

该节点程序涉及到节点的初始化、网络的构建、传感器节点温度数据的接收。在完成相关数据接收以后，会通过串口向主机进行数据的发送。而协调器节点在初始化以后，会对信道进行选择，并对协调器地址进行设置，同时，开始进行无线网络的监听，如果收到新节点加入申请，则会为节电设备安排端口，如果接收到相关数据，则会在简单处理以后经由串口向主机发送，从而进行深入的处理[2]。

2.3 组网

第一，需要对协调器进行通电，将网络初始化完成，并对信道进行优选，为自身网络选择一个网络标识，同时按照相应的传输周期，向周围进行数据包的发送。

第二，将终端节点通电，各节点首先会通过信道能量扫描，从周围环境中选择一个具有较强适用性的信道，并进行网络搜寻。

第三，在协调器对终端节点数据包进行接收以后，会将一个涉及自身IEEEMAC地址的超帧发送出去。

第四，终端节点在对超帧进行接收以后，需要保存协调器的MAC地址，同时要根据这个地址将一个数据包发送至协调器当中，发送该数据包的主要目的就是为了对加入网络进行寻找。

第五，在协调器对Data Request进行接收以后，会优先通过NWK层算法进行网络短地址的分配，并将一个涵盖其网络短地址的数据包发送至终端节点，而这个数据包是借助MAC地址来进行发送的。

第六，终端节点在收到含有网络短地址的数据包以后，会对自身的短地址进行配置，这时可以利用这个短地址与协调器展开通信，在这种情况下，终端节点就已经完成了网络的加入[3]。

3 系统测试

3.1 功能测试

将协调器程序导入一个节点当中作为协调器，同时，要将传感节点程序导入到几个节点当中当做传感器终端，通过系统测试，可以确定各终端均可正常加入网络，并且可以对数据进行正常的收发，基本可以判定系统是完好的[4]。

3.2 节点测试

第一，无障碍传输距离测试。该项测试工作需要在空旷的室外环境进行，需要先将协调器打开，并进行无线网络的构建，然后将终端节点设备打开，将其作为电压信息以及温度信息的参考节点。最后将另一终端节点打开，并对其进行移动，确定5个测试距离，在移动测试的过程中，需要借助计算机对该节点接收的数据进行记录和保存，并在完成测试以后，对数据进行统计分析。

第二，有障碍传输距离测试。该项工作需要在室内隔墙环境中进行，测试步骤和无障碍的测试基本相同。将协调器打开以后，进行无线网络的构建，同时要在协调器旁将一个终端节点设备打开，将其作为电压及温度信息的参考节点。然后将另一终端节点打开，并对其进行移动，确定5个测试距离，并对移动过程中的节点数据接收效果展开测试，数据的记录和保存工作由上位机来完成，且在完成测试以后要进行数据的统计和分析[5]。

在进行上述测试工作时，有隔墙的时候存在信号不强的情况，之所以会出现这种情况，可能是受到天线设计影响造成的，而本文针对终端设备应用的天线主要是PCB天线，若对带杆状天气的射频模块进行应用，则可以获得更好的接收效果。