一种基于CC2530的无线数据传输系统

戴 明

(无锡商业职业技术学院 物联网与人工智能学院,江苏 无锡 214153)

在工业生产中,设备对现场环境中的参数要求较高,技术人员必须随时掌握现场的环境参数,以确保设备正常运转。传统的数据传输方式以有线传输为主,适用于对测量要求不太高的场合,无法适用于实际的工业生产中。随着传感器技术和工业物联网技术的迅速发展,环境参数可以通过LORA组网技术、ZigBee组网技术等来实现无线传输,可以在不改变现场布局的情况下对数据进行远程监控。本研究以温度采集为例,设计基于CC2530的无线数据传输系统,实现对终端节点温度数据的采集、无线传输及显示。

1 系统总体设计

本系统主要由温度数据采集节点、ZigBee网络、协调器节点和监控中心组成。其中,温度数据采集节点采集本地数据并传送至单片机;ZigBee网络实现多个采集点的温度数据的无线传输与接收;协调器节点用来接收各采集点的数据;监控中心用来查看各温度采集点的数据。

温度数据采集节点分布于各测试点,负责采集工业现场温度,各温度采集点则以协调器为中心组建ZigBee网络,从而实现数据的无线传输。其中,传感器DS18B20的数据线与单片机CC2530的P0_7引脚相连,单片机接收温度数据后并进行处理,通过其射频模块将数据发送至网络中的协调器,协调器节点将接收的数据发送至监控中心,从而实现了数据的无线传输与显示。系统网络结构图如图1所示。

图1 系统网络结构图

2 系统硬件设计

2.1 温度数据采集节点

温度数据采集节点主要负责现场区域的温度数据采集、处理及发送,主要包括单片机(含射频模块)、温度传感器、电源模块。温度采集节点硬件框图如图2所示。

2.1.1 DS18B20温度传感器

DS18B20温度传感器有3个引脚:接地、数据和电源。其所测温度为-55～+125 ℃,采用单总线方式,可与处理器双向通信[1-2]。

DS18B20与单片机的引脚连接图如图3所示。DS18B20的数据引脚输出的数值精度较高,传感器采用外部供电,将传感器数据引脚直接连接到单片机CC2530的P0_7引脚,CC2530单片机根据DS18B20的协议读取对应的二进制数据,并进行转换处理。

图3 DS18B20与单片机的引脚连接图

2.1.2 单片机CC2530

系统使用TI公司的CC2530单片机,是基于IEEE 802.15.4协议的片上系统[3],该芯片包含了射频收发模块,与普通8051单片机相比不需要外接通信模块。CC2530单片机共40个引脚,其中包括21个通用I/O引脚、4个定时器、2个串行通信接口、8通道12位ADC等,可实现电池监测,支持5种工作模式,且转换时间短,功耗小。CC2530单片机具有自组网能力,当某个节点出现故障,网络可进行重组与通信[4]。系统通过单片机CC2530的P0_7引脚采集温度数据,通过P0_3引脚发送数据。单片机CC2530外围电路图如图4所示。

图4 单片机CC2530外围电路图

2.2 协调器节点

协调器节点主要由CC2530单片机、电平转换电路和上位机组成。协调器节点硬件框图如图5所示。CC2530单片机含有串口,电平为TTL,所以需要通过电平转换电路,将数据格式进行转换,以便其与上位机进行通信。FT232 USB UART Board是一种将USB接口转换为TTL电平的UART串口模块。该模块可以将计算机或其他设备的USB接口连接到TTL逻辑电平设备,如单片机、传感器等,从而实现数据通信。

图5 协调器节点硬件框图

3 系统软件设计

ZigBee基于IEEE802.15.4技术标准,具有低功耗、低成本等优点[5]。本系统采用ZigBee网络实现数据传输,通过协调器建立和管理整个网络。网络的拓扑结构主要有3种:星型网、网状网、树型网。本系统采用网状网结构,该网络结构具有“自恢复”能力,通信距离达200 m。此外,可通过增加中继路由节点数,延长通信距离。

软件设计是系统功能实现的关键[6],协调器网络创建成功后,接收终端加入请求,采集节点首先完成底层模块的初始化,搜索并加入网络,进入休眠状态,同时开启定时器,定时时间到达后进行温度数据的采集与发送;协调器收到数据后进行数据格式的转换及传输,完成数据的无线传输。本系统采用2个终端节点、1个协调器,协调器负责组网接收,终端节点负责采集并传输数据。各个终端节点的地址不同,所有网络中的节点具有相同的信道和PAN ID,但地址各不相同。

3.1 协调器建立网络

每一个网络中有一个协调器,它是网络中的核心设备。协调器的主要作用是负责建立和启动网络,当网络建成后,此时协调器跟普通路由器就没什么区别了。ZigBee网络所采用的是免执照工业科学医疗(ISM)频段,共有3个:868 MHz(欧洲)、915 MHz(美国)、2.4 GHz(全球),我国采用全球通用的2.4 GHz频段。协调器首先扫描信道并初始化,在成功创建网络后接收终端的加入请求,分配地址并接收数据,数据经格式转换后通过串口发送至监控中心。协调器软件流程图如图6所示。

图6 协调器软件流程图 图7 终端节点软件流程图

3.2 温度数据采集节点软件设计

在本系统中,终端节点采集温度数据,可更换传感器实现不同数据的采集,终端节点在上电后先进行底层模块的初始化,接着搜索并加入网络,与协调器通信成功后,发送地址给协调器,等待定时器唤醒,进入数据采集状态。

终端节点按照设定的时间进行底层数据发送,终端节点的数据主要是DS18B20通过数据引脚传送给CC2530的P0_7引脚的二进制数据。通过编程对二进制数据进行转换与处理后,再经过CC2530的射频模块将数据发送至协调器,完成数据的传输。终端节点软件流程图如图7所示。

4 测试结果

本系统包含1个协调器节点和2个终端温度数据采集节点,协调器通过串口与监控中心相连,可实时查看终端数据。串口调试助手是专门用来显示串口数据的,在使用前要先选择端口号、波特率、数据位、校验位、停止位。A、B两个终端节点的3次测量值及FLUKE温度仪测量值如表1所示。

表1 A、B两个终端节点的3次测量值及FLUKE温度仪测量值

由表1可知,串口调试助手显示的温度值与FLUKE温度仪所测数值两者的误差在1%内,说明系统测试的数据准确度高。