CC2530模块

CC2530模块（精选7篇）

CC2530模块 第1篇

关键词：CC2530,定位系统,到达时间差,相交圆弦线法,定位精度,一元线性回归方程,距离滤波

随着养猪生产规模化、集约化程度的不断提高,采用传统的人工观察方式进行猪只行为判断已经无法满足现代养猪业的需求,猪只行为的数字化和智能化监测日益重要。研究表明,目标运动轨迹分析是进行目标行为识别的一种重要方法。如在老年人异常行为检测中,孔令富等[1]通过对老年人运动轨迹的采集、分析,最终对老年人的异常行为进行判断,结果表明,此方法在家庭环境下的行为检测是有效的。由于猪圈内猪只的运动轨迹较为简单,且猪圈内具有较为明确的功能分区[2],猪只日常活动的时间和区域较为规律; 因此,可以将猪只的运动轨迹作为行为分析的重要特征,其前提和基础是实现猪只的室内定位。

目前,常用于室内定位的技术主要有射频识别技术( radio frequency identification,RFID) 定位技术[3]、WLAN ( wireless local - area network ) 定位技术[4]、UWB( ultra wideband) 定位技术[5]、超声波定位技术、视频定位技术[6]等。考虑到猪圈的特点,主要有范围小、目标多、障碍物少等,另外考虑应用成本和定位精度需求,最终选取超声波定位技术作为定位方式。与其他定位技术相比,超声波定位技术具有成本低、精度高、多目标跟踪、不受电磁干扰[7]等特点,虽然传播距离有限且受视距影响,但猪圈内空间小、障碍物少,降低了这种影响。试验设计了一种基于CC2530 模块的超声波猪只定位系统,对猪只的位置进行连续采集,为下一步利用运动轨迹进行猪只行为异常判断奠定基础,现报道如下。

1 超声波定位系统硬件设计

该系统的工作原理是参照AT&T公司的Active BAT超声波定位系统[8]设计,分为发射单元和接收单元,发射单元安放在猪只身上,定时发送两种信号;接收单元包括接收控制和4 个接收器,通过有线连接。设计的总体结构框图见图1。

与Active BAT定位系统相比,本系统是在CC2530 模块基础上进行设计的。CC2530 集成了低功耗8051 单片机内核与适应2. 4 GHz通信的RF收发器的芯片,设计中充分利用了CC2530 强大的无线通信功能,能够非常方便、快捷地进行发射与接收单元的数据传输和信号控制。此外,充足的中断以及定时功能均能够满足设计要求,极大地方便了系统设计。另一方面,由于超声波发射探头发射角度的局限性,Active BAT需要较多的接收器,使其部署较为困难。而本系统中,为了解决此问题设计了多发射探头的全方位发射单元,利用5 个正交的超声波探头扩展发射的角度。

1. 1 超声波发射单元

CC2530 能够满足设计要求,并简化了系统设计,在此基础上增加了超声波发射电路、UART电路、电源电路,构成了定位系统的发射单元,图2 为超声波发射电路图。

US - T超声波的发射探头经过变压器升压后接在超声波探头两侧,驱动超声波探头工作。在进行超声波信号发射时,利用CC2530 产生40 k Hz的方波信号,由引脚Send输出到MOS管N1,控制MOS管N1的导通,令超声波探头两端产生40 k Hz的电压控制信号,发送出超声波信号。当结束超声波信号发送时,Send置为0,MOS管关闭; 但由于振荡电路的存在,超声波信号并不会立刻停止发送,此时Cut置为1,三极管P1 导通,在初级线圈中形成回路,利用电阻( R2) 尽快消耗掉残留在电路中的能量。

1. 2 超声波接收单元

接收单元主要由CC2530、温度采集、串行通信、四路超声波接收等组成,图3 为其中1 路的电路图。

超声波接收电路选用专门用于超声波信号接收的集成芯片TL852CDR,特点是能够进行选频和变增益,能够根据信号强弱进行灵敏度的改变。由CC2530 控制TL852CDR调节接收的灵敏度,使电路既能够准确接收超声波信号,又能够减小干扰的影响。超声波信号经由TL852,输出的电压略大于1. 2 V,经过一级跟随器,经过第二级比较器放大器,输出标准的3. 3 V下降沿信号,作为CC2530 的中断触发信号,停止定时器的计时。

此外,系统中还有一些通信、调试接口、电源、温度采集以及按键、指示灯等电路,这里不再一一说明。

2 超声波定位算法

由设计的硬件部分可以测量到两种信号的TDOA,但此时的TDOA由定时器中断次数表示,并不能直接表示为距离,需要建立TDOA与距离之间的关系。试验引入一元线性回归方程进行距离的计算,并利用相交圆弦线法进行定位计算。

2. 1 一元线性回归方程计算距离

通过测量RF信号和超声波信号的到达时间差计算距离,到达时间差由定时器中断次数测得。但由于接收端定时器中断次数较多,每次进入中断程序都需要一定时间[9],测量到的TDOA误差较大。测量距离与TDOA呈线性关系,利用一元线性回归方法对测量距离与到达时间差的关系进行拟合[10],设一元线性回归方程为:

式中:l表示根据定时器中断次数计算出的距离,为线性回归方程参数,x为中断次数。根据实验测量得到的n组到达时间差与距离的数据(x1,l1),(x2,l2),…,(xn,ln),则:

式中:为测量数据xi、yi的平均值。

由上式便可求出定时器中断次数与测量距离之间的一元线性回归方程,当再次测得TDOA后带入式( 1) ,就可得到测量距离。

2. 2 相交圆弦线法定位原理

目前,常用的定位计算方法有三边定位法[11]、相交圆弦线法[12]、最小二乘法、扩展卡尔曼滤波( Ekalman) 法[13]等。与其他算法相比,相交圆弦线法能够达到较高的定位精度,而且复杂度较低,容易在设计中实现; 因此,试验采用相交圆弦线法计算待测目标的位置。相交圆弦线定位原理示意图见图4。

图4 中,M为发射单元,到任意3 个坐标已知的接收单元A、B、C的测量距离分别为l1、l2、l3。在实际的测量过程中,由于存在误差干扰等因素,以A、B、C为圆心的3 个定位圆不可能准确地交于一点,但其公共的弦线必定交于一点,将此交点作为待定位点M的空间位置估计值[14]。相交圆弦线方程用矩阵方式表示为:

式中: X =[x,y]T为M点的坐标;

式( 4) 中3 个方程中只有两个是独立的,取B的任意两行组成B1,Z与之对应的两行组成Z1,则待测目标坐标值X为:

从相交圆弦线算法定位的原理可知,这种方法仅利用接收单元的坐标及测量距离进行位置的计算,除数是固定的,计算过程简单。

3 试验设计及结果分析

由于本设计到达时间差是利用定时器中断次数来测量的,随着测量距离的增大,定时器中断次数越多,由系统运行造成的误差也越大,误差随着距离的增大还会增大,此时传统的时间补偿方法[15][补偿公式为l = vs( t + t0) ]并不能满足设计的要求,故引入一元线性方程,得到中断次数与测量距离的关系,与传统补偿方法进行了比较,结果见图5。

对40 ~ 240 cm的距离进行采样,每10 cm测量一次。从图5 可以看出,利用一元线性回归方程得到的测量距离精度远远高于传统时间补偿的计算结果。

在测量距离时,由于干扰或者接收到反射信号等原因,距离测量中会出现数据突然变大的异常情况,为了分析异常数据出现的情况,每个测量距离采集了300 组数据,并对比例进行分析,表1 给出了部分测量的数据。

从表1 可知,出现异常情况的概率较低,此情况在测距中是不可避免的,异常数据应排除。

当测距出现异常数据时,一般测量到的距离会远大于上一时刻值,为了避免上述异常数据进入定位计算,对进入定位计算的条件进行了限定。假定同一目标在t时刻同一节点测得的距离为lt,则下一时刻的测量距离应满足: lt + 1- lt< α。α 根据测量中出现的距离进行设定,如果满足条件,则测量到的距离可用于定位计算,不满足则舍弃。用此方法对测量到的数据进行了处理,并对处理前与处理后的定位结果进行了比较,结果见表2。

“*”表示距离与中断次数的实际测量点;“*—”为通过一元线性回归法拟合到的计算结果;“—”为利用传统时间补偿得到的计算结果。

%

由表2 可知,通过上面所述方法进行数据处理,对于误差在> 2 ~ ≤8 cm的数据影响较小,但能够较大比例地减少出现较大误差数据的比例,更好地进行目标的定位。通过分析测量数据,此定位系统的定位精度在3 cm左右,能够准确地定位目标。

4 结论

CC2530模块 第2篇

为了保证温室大棚作物的产量和品质,对环境的监测尤为重要。环境监测不仅能及时反馈作物的生长环境状况,还能及时调节环境因子让作物在最适宜的环境下生长。随着技术的发展,温室大棚有线网络监测系统弥补了人工监测的效率低、控制效果不好的缺点,在文献[1-2]中出现了采用RS 485总线和现场总线布网来监测温室环境,虽然提高了作物的产量,但有线布网增加了工程的成本和施工难度,并且系统线路容易老化断裂,加大了维护成本和工作量。因此,迫切需要一种技术来改善有线网络系统的缺陷。在文献[3]中提出利用Wi Fi技术建立无线传感器网络温室大棚监控系统,但系统功耗大,成本较高。相比于Wi Fi,Zig Bee技术的低功耗、自组网、低成本等特点使它具有无法替代的优势。Zig Bee无线传感器网络[4]已经成功应用于智能家居[5]、智能电网[6]、工农业生产等领域。本文以Zig Bee技术为背景,研究无线传感网络在集群温室环境监测中的应用。

1系统总体结构和功能

设计采用Zig Bee技术建立集群温室无线传感器网络,监测温室大棚内的湿度、土壤温度、光照强度、CO2浓度以及控制LED灯光和报警。该系统总体设计采用星型模式组成无线传感器网络,即一个协调器连接多个子节点,每个子节点以CC2530为核心,CC2530主要负责对传感器采集的数据进行处理和对节点运行状态进行智能管理,进而实现低功耗效果。该系统所要实现的功能是,通过传感器采集温室环境数据,CC2530对数据进行分析处理后,子节点通过无线信号发送给协调器, 协调器接到信号通过RS 232串口[7]发送给温室监测分中心的PC,在PC的上位机可以对数据进行显示,还可以将监测数据传送到以太网,以太网上的数据可以被集群温室监测中心和相关机构获取,进行分析后进行有效控制。系统整体结构如图1所示。

2系统硬件设计

2.1无线功能单元

整个系统将无线功能单元作为核心,其中主要涉及协调器和子节点。无线功能单元主要由处理器模块、无线通信模块、电源模块以及相应的调试接口构成。而其中的子节点需要增加传感器模块和灯控模块,用于采集环境因子和控制LED灯的状态;协调器是在处理器模块和无线通信模块的基础上增加串口通信功能。协调器通过RS 232与计算机相连,将数据传输到计算机,进而在上位机上显示和向以太网上传送。无线功能单元结构如图2所示。

处理器模块选择第二代Zig Bee芯片CC2530[8],它支持IEEE 802.15.4标准,在低功耗和灵敏度等性能方面较第一代CC2430芯片有所改进[9]。

CC2530集成了RF收发器和8051微处理器,具有超强的抗干扰性,而且配备TI的一个标准兼容的Z-Stack网络协议栈缩短开发周期。CC2530的外围电路设计只需要少量辅助元器件。根据集群温室的实际管理经验,只用CC2530芯片组建无线,节点之间的距离将被限制在100 m以内,达不到实际要求。为了扩大无线网络数据传输的范围,选择CC2592射频前端增大节点的输出功率。

CC2592应用于2.4 GHz低功耗低压的无线网络中, 经济高效而且性能优越[10]。它集成了一个可增加输出功率的功率放大器和一个具有低噪声系数的LNA,以提升接收器灵敏度。CC2530最大的输出功率为+4.5 d Bm, 而增加CC2592范围扩展器之后,输出功率可以提高到+22 d Bm。完全可以满足系统设计需要,增大了节点之间的距离,扩展了无线网络的范围。 CC2530与CC2592的电路连接如图3所示。

CC2592有3个控制引脚分别为PA_EN,LNA_EN和HGM,通过控制这3个引脚逻辑电平实现4种模式:掉电(Power Down)模式、RX低增益(RX Low Gain Mode) 模式、RX高增益模式(RX High Gain Mode)、普通发送( TX)模式。其中,掉电模式功耗最小,在此状态下,是没有工作通路的,直至被激活到其他模式。CC2530对CC2592控制时,当LNA_EN与PA_EN引脚为低电平时,CC2592处于掉电模式,没有工作;当LNA_EN引脚为高电平、HGM引脚为低电平时,CC2592处于低增益模式。当LNA_EN与HGM引脚为高电平时,CC2592处于高增益模式;当LNA_EN引脚为低电平、PA_EN引脚为高电平时,CC2592处于正常发送模式。CC2530要实现对CC2592的控制,既要遵循控制逻辑,又要设置RF寄存器,详细设置内容如表1所示。

用CC2530控制CC2592可以在CC2530设为低功耗模式,同时也让CC2592也工作于低功耗模式,大大地降低了功耗。该工作模式可将发送信号增强6倍(不加CC2592点对点无遮挡传输距离为80 m),传输距离达到480 m,解决了成本问题和传统方式的布线复杂问题。

2.2传感器单元

子节点的传感器单元主要由传感器组成,为了实现对环境因子的数据采集,相对湿度传感器采用国产的HM1500A,土壤温度传感器采用SLST1-5型数字温度传感器,光照传感器采用欧恩公司生产的On9658,CO2浓度传感器采用国内生产的小型传感器MH-Z12。

HM1500A使用微处理芯片,内置复位、看门够及数据掉电保护电路,具有极强的抗干扰能力。本文选择5 V供电,相对湿度和输出电压的关系为0~100%RH对应1~3.6 V,而且呈线性关系,因此具有很好的精确性和稳定性。传感器与CC2530的P0_1直接连接。

SLST1-5新型数字温度传感器属于单总线接口器件,内置DS18B20温度传感器,金属导热性高的原理保证了传感器的灵敏度,从而实现对土壤温度的准确监测。测量温度范围为-55~125 ℃,系统采用3.3 V电源对其进行供电,非常适合于温室大棚环境下土壤温度的采集。所以只需将SLST1-5的单总线接口与CC2530的P0_2引脚相连即可。

On9658内置高精度电压源和修正电路,工作电压范围宽,温度稳定性好,对可见光极度敏感。On9658采用5 V供电,温度范围在-20~75 ℃,因此适用于对温室大棚的光照进行采集。光照传感器On9658的电信号输出通过560 kΩ的电阻与CC2530的P0_0相连,且需要外接10 kΩ的上拉电阻以保护数据传输的稳定性。

CO2浓度传感器采用国内生产的小型传感器MH-Z12。内置温度传感器,能够进行温度补偿;无氧气依赖性,寿命长。传感器节点采用3.3 V对其供电。由于该传感器具有放大电路和滤波电路,因此,MH-Z12输出的电压信号只需与CC2530的P0_3引脚连接就可以进行数据传送。

2.3电源模块

网络节点中处理器CC2530需要3.3 V供电,而HM1500A和On9658需要5 V供电。为了满足不同模块对电源的需求,以及节点的便捷性,采用多节1.5 V干电池供电,通过LM1117输出所需的3.3 V和5 V电压。

3系统软件设计

本文设计的集群温室大棚无线传感器网络主要有3种设备:上位机、协调器和子节点。网络的建立是由此3种设备完成,但环境信息的上传是通过系统的通信协议控制的。协调器和子节点的软件设计都是基于Z-Stack协议栈开发的。

3.1协调器和子节点的软件设计

在IAR Embedded Workbenchfor 8051 8.10软件的支持下,利用Z-stack协议栈进行应用层上的功能开发。子节点和协调器遵循约定的通信协议进行数据的收发,通信采用主从式。温室监测分中心向子节点发送命令的时候遵循一定的格式,如表2所示。为了保证每个子节点的正常运行,每次开机运行,监测分中心通过发送握手命令确定子节点是否联机。协议规定了4种上传命令:上传温湿度命令、上传CO2浓度命令、上传光照命令、上传LED灯状态命令。子节点收到监测分中心的命令之后,需要返回相应的命令数值并且也有一定的应答格式,如表3所示。子节点除了需要应答规定的4种上传命令外,还需主动上报报警信息,以便保护温室大棚的环境不受外来人员的破坏。

协调器连接着监测分中心和子节点,负责无线网络的建立以及上位机和子节点之间的数据传送。系统得电后,首先初始化硬件和协议栈,协调器扫描并选择一个合适的信道建立一个新网络,子节点发现网络并加入网络。组网完毕之后,协调器开始接收从监测分中心传来的命令,并下达给子节点,然后将子节点传来的数据传输给监测分中心。协调器的工作流程如图4(a)所示。

子节点加入网络后便开始进行定时采集工作,采集数据完成后触发定时器中断并进入低功耗模式,节约能耗,定时唤醒之后重新采集数据并更新原有数据。在此同时,子节点处于等待命令状态,一旦有命令传来,便将数据发送给协调器,协调器接到数据后发送给监测分中心,最终在上位机软件中对数据进行显示。子节点的软件流程如图4(b)所示。

3.2上位机

温室监测分中心的上位机软件是基于VC++ 6.0开发的,将上述方案设计进行调试和实验,系统采集到的数据在上位机界面显示结果如图5所示。

通过测试结果表明,系统运行正常,能全天候监测温室内的湿度、土壤温度、光照强度和CO2浓度。

4结语

本文利用CC2530芯片和CC2592范围扩展器建立无线传感器网络,并将此网络应用于集群温室环境监测系统。实现了一种方便快捷的温室环境监测方法,可以为植物提供一个理想的生长环境,节省了人力物力,降低了成本。该系统操作简单,运行稳定,为集群温室大棚环境监测提供了一种有效的解决方案。

摘要：针对集群温室大棚环境监测困难,有线传输系统成本高和网络维护量大等问题,设计了针对温室大棚内湿度、土壤温度、光照强度、CO2浓度等的无线实时监测系统。以CC2530芯片为核心,以CC2592射频前端为协助,建立无线传感器网络,对温室环境信息进行采集、分析、处理和传输,最后在上位机显示。系统详细分析了硬件电路的控制方法并给出了软件流程图。实验表明:系统可以准确获取温室环境数据。增强节点输出功率和低功耗设计,不仅提高了温室环境监测的灵活性和移动性,而且降低了成本。

CC2530模块 第3篇

日常生活中,采用红外遥控器来控制空调、电视、DVD等家用电器设备的开关。采用遥控方式来控制电源的开关,方便了用户,避免了频繁开关电源按钮、插拔电源插座。当用遥控器关闭家用电器后,家用电器处于待机模式,此时主体电路与电源断开,但是,内部仍有与电源连接的电路称为待机电路,待机电路仍正常工作。所以,处在待机模式的家用电器仍会消耗电能。目前,家用电器的平均待机功耗在几瓦左右,甚至更高,大大浪费了电能。如何能降低家用电器电子产品的待机功耗,已经成为了各个国家研究的热点。

随着无线射频遥控技术进入家用电器这一领域,克服了红外遥控技术距离短、接受范围小、视野障碍、抗干扰性差等固有的物理缺陷。本文采用TI公司的高性能射频收发器CC2530芯片,设计了一种功耗为毫瓦级的微功耗遥控电源开关系统。

2 微功耗遥控电源开关系统方案

目前,降低家用电器的待机功耗主要有两种方案。图1(a)所示为第一种方案,通过优化待机电路的性能,提高电源管理电路的供电效率,目的是提高AC/DC转换器在轻载时的转换效率。该方式的优点,不需要改变家用电器设备结构。但,随着待机功耗的要求越来越低,低功耗AC/DC转换器所能达到的转换效率具有一定的局限性,达不到家用电器待机低功耗的要求。采用辅助电源(电池)来取代图1(a)中电源管理电路中的AC/DC转换器给待机电路供电,并增加一些辅助电路来降低待机功耗,是第二种方案,如图1(b)所示,该方式不会影响主体电路结构,可以大大降低家用电器的待机功耗,可以达到毫瓦级。

本文主要主要是采用第二种方式来降低家用电器的待机功耗,主要结构包含基于CC2530芯片的发射端和接收端两部分。

(a)优化AC/DC转换器

2.1 CC2530射频收发器

射频收发器CC2530是TI公司推出的一款用于Zig Bee RF4CE应用的2.4GHz片上系统(System on Chip,简称SOC)芯片,该系统芯片具有高性能的射频收发模块、多种低功耗供电模式和应用于RF4CE的CC2530 Remot TI开发套件,便于开发符合射频遥控标准和协议RF4CE的低功耗远程控制系统。CC2530具有的多种低功耗供电模式,如表1所示。CC2530的各种供电模式之间可以进行切换,且切换时间短,适用于超低功耗要求的系统。

2.2 系统的结构及其工作原理

根据之前提出地通过采用辅助电池给待机电路供电,降低家用电器待机功耗的方法,并结合红外转射频技术;进而,实现一种基于CC2530射频收发器的微功耗遥控电源开关系统。该系统主要由遥控器内部的发射端和位于家用电器主体结构中的接收端两部分组成,CC2530构成了发射端和接收端的关键模块,利用CC2530-MDK开发板,将位于发射端内部的CC2530设置成发射模式,而接收端内部的CC2530设置成接收模式。

当按下遥控器上的开(关)机按键,CC2530检测到来自红外发光二极管的开关机信号,触发CC2530从低功耗供电模式转到工作模式,发射一组经过2.4GHz O-QBSK调制的基带信号,同时接收端检测到该调制信号,并与内部的基带码进行比较,输出一个脉冲信号驱动继电器动作,使得家用电器的交流电源闭合(断开),然后,发射端CC2530转到低功耗供电模式。

2.3 发射端结构及工作原理

微功耗遥控电源开关系统遥控器发射端的内部结构如图2所示,CC2530指定的输入端连接到红外编码调制电路的输出端,遥控器内部的两节1.5伏干电池供给其消耗的能量,且CC2530与遥控器内部的其它电路模块共地。大多数时间,没有按键信号,发射端CC2530供电模式3(外部中断)处于低功耗供电模式。当按下开(关)机键,按键信号经过红外编码调制电路红外发光二极管发射出去,此时CC2530输入端检测到脉冲信号,CC2530采取中断响应处理方式,从低功耗供电模式转到工作模式,这一过程需要20ms,然后CC2530开始进入发射模式,将开(关)机调制信号经天线发射出去,持续时间为2.5s,且每次开(关)机信号持续2ms,共发射了1000多次。接着,CC2530从发射模式转换成低功耗供电模式。

2.4 接收端结构及工作原理

用微功耗遥控电源开关系统的接收端完全取代家用电器遥控接收装置中的待机电路,大大降低了待机功耗,其结构如图3所示。接收端主要由CC2530、信号继电器、AC/DC变换器、功率继电器以及两节1.5伏干电池组成。接收端工作在间歇模式,接收芯片CC2530每2s中4ms是处于工作模式,其余时间CC2530工作在低功耗供电模式。当CC2530在工作模式下,检测到射频开(关)机信号,经过射频前端和8051微处理器处理,输出持续20ms的开(关)机脉冲信号驱动双绕组闭锁型信号继电器的置位端(复位端)动作,从而接通(断开)AC/DC转换器的交流输入端,使得AC/DC转换器输出电压为5伏(零),进而闭合(断开)单稳型大功率继电器的触点,最终接通(断开)家用电器主体电路的220V交流电源。

3 测试结果及其分析

根据2.2节描述的发射端结构和接收端结构,并结合CC2530-MDK自带的遥控器例程,来搭建微功耗遥控电源开关系统,遥控器端和接收端如图4所示,实测环境如图5所示,用一个台灯来模拟图5中的用电设备,实测的遥控距离能达到8米以上,且不受墙等障碍物的阻隔。

该系统已经成功应用于空调等大功率家用电器设备上,采用遥控器来控制空调的启动和关闭,来降低待机功耗。当用遥控器关闭空调后,空调是处于待机状态,会消耗一定的电能,而采用该系统的家用电器接收来自遥控器的关闭信号之后,其主体电路是完全与交流电源断开的。所以,从理论上说,家用电器是不会消耗交流电源的能量,即交流电源的待机功耗为0。另外,采用功率计测试的实际交流电源的消耗为0,从而验证了该系统的正确性。

用遥控器关闭家用电器后,其交流电源消耗的能量为0。然而,由于接收芯片和信号继电器是由两节1.5V干电池的直流电源来供电,所以仍然会有部分能量消耗,表2是用万用表所测得的接收端能量消耗,假设每天开关空调次数为10次,也就是信号继电器工作10次。由于每次开机或关机信号的持续时间都为20ms,且信号继电器是闭锁型(掉电不失锁),所以信号继电器每次工作的时间也是20ms。

从表2中可以计算出,每秒接收端消耗的电流为94.1μA,假设每节干电池的容量为1800m Ah,则该系统的使用寿命约为2.18年。接收端0.28m W的功耗要远低于现在家用电器的待机功耗(空调约为2W),因此该遥控电源开关系统是微功耗的。而如果能进一步降低接收芯片的待机电流和工作电流,增加电池的容量,该系统的正常工作时间会增加更长,能满足用户需求。

4 结论

本文针对降低家用电器待机功耗的问题,利用CC2530射频收发器设计了一种采用辅助电源模式来降低待机功耗的微功耗遥控电源开关系统,并给出了相应的测试结果。测试结果表明,微功耗遥控电源开关系统的接收端功耗小于300μW,极大地降低了家用电器的待机功耗;将该系统应用在家用电器中,遥控端和主体电路的结构只需要微小改变,实现起来比较简单。

参考文献

[1]中国节能产品认证中心.国内外产品待机能耗综述[J].节能与环保,2002(9):38-41.

[2]王晶晶,白雷石.浅谈家电的待机功耗[J].中国科技信息,2008(18):142-143.

[3]史学谦.基于射频技术的无线遥控器[D].天津:天津大学,2010.

CC2530模块 第4篇

Zig Bee技术它是一种短距离、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术。Zig Bee技术适用于短距离的无线控制系统, 为自动控制和远程控制领域的技术发展提供了有效的协议标准。主要应用领域有农作物生长及环境监控、物流管理及应用、医疗监控设施、交通管理和监督以及军事侦察等。

1.1 Zig Bee技术的无线传输的优势

Zig Bee、蓝牙以及IEEE802.11B标准都是工作在2.4G频段的无线通信标准, 表1中标明了三种标准的特点及应用范围。

蓝牙技术的数据传输速率较低, 传输距离最短, 因此, 可以应用于如手机与手机之间少量数据的传输。其缺点是系统的抗干扰能力不强和高成本的制造费用。IEEE802.11B最高数据传输速率最高, 数据传输距离, 支持无线上网笔记本、电脑、手机等使用Wi Fi功能实现上网。Zig Bee协议是一种短距离无线传感器网络与控制协议, 主要优势在于传输控制信息时, 数据量相对来说较小, 特别适用于电池供电的系统。

1.2 Zig Bee技术的特点

Zig Bee技术具有如下优点:

(1) 可靠性高。

(2) 成本低、功耗小。

(3) 高安全性。

2 硬件设计

2.1 CC2530的内部结构

CC2530单片机是一款支持IEEE 802.15.4协议并且能够兼容51内核的无线射频单片机。[3]它是TI公司推出的第二代Zig Bee平台和So C解决方案。内部集成了高性能的RF收发器、工业标准的8051内核、256K的ROM和8K的RAM。能够支持5种工作模式, 满足了对系统的低功耗要求;例如在接收模式时电流损耗为24mA, 发送模式时为29mA。

CC2530片内的两个串口, 每个串口的工作模式有SPI和UART模式, 模式的选择由Ux CSR.MODE决定。

2.2 串口通信的设计

本次设计采用USART0串列端口UART模式进行通信。分别由网关上CC2530需要将采集到的数据发送给上位机 (即PC) 处理, 同时上位机需要向网关上的CC2530发送控制信息。通过汇聚网关与PC机的通信实现数据的传递。

USART0有5个的寄存器:U0CSR:U S A RT 0控制和状态、U 0 U C R:USART0UART控制、U0GCR:USART0通用控制、U0BUF:USART0接收/发送数据缓冲、U0BAUD:USART 0波特率控制。

3 软件设计

系统的软件由CC2530芯片串口发送和接收数据程序组成, 均包括初始化程序、发射程序和接收程序。

设置通信参数如下:设置异步串口通信方式, 波特率为9.6Kbit/s, 清除标志位, 无奇偶校验并1位停止。串口配置程序如下:

当数据发送时, 首先网关上红色LED灯闪烁, 表示汇聚网关接收到PC机的指令。可以通过串口助手看到运行结果, 如图1所示。

当数据从PC机发送至下行的汇聚网关时, 也可以通过串口上字符串输入框输入需要传输的内容, 将内容通过串口传送给汇聚网关。在串口通讯中一般有两种方式来接受数据, 一种是查询法、另一种是中断法。查询法时串口都处于一种等待状态, 查询串口上是否有数据, 当数据接收完毕时开始对接收的数据进行相应的操作。这种方法的缺点是让程序一致等待串口, 所以效率较低。中断法中串口上有数据时调用中断向量, 把程序指针指到相应的中断服务服务程序上。

串口传送给汇聚网关, 然后由串口打印输出, 可以在图2中看到接收的结果。

4 结论

为了实现汇聚网关与PC机的通信, 运用串口完成PC机和汇聚网关的数据传递是无线传感网络通信的基础。通过编写串口的发送程序和接收中断服务子程序来完成的。在接收数据过程中如果串口上有数据, 那么会调用中断向量, 中断向量把程序指针指到相应的中断服务服务程序上。在中断服务程序完成之后, 程序只能还会跳转到中断之前的地址, 这个方法的效率比较高。

摘要：分析了基于ZigBee协议的无线传感器网络的关键技术和特点。在ZigBee技术和无线数据传输的实现方法的基础上, 搭建了基于CC2530单片机系统的汇聚网关及节点, 最终实现设备终端与PC机之间的数据通信。

关键词：ZigBee,CC2530,串口通信

参考文献

[1]李善仓, 张克旺.无线传感器网络原理与应用[M].北京:机械工业出版社.2008.

CC2530模块 第5篇

随着无线网络技术的不断发展, 当今高校已经逐渐走向数字化、网络化、智能化。人们对于学习环境的安全性和便利性也有了更高的要求, 如何实时监测室内温度、湿度以及光照、电源等情况是实验室管理者应当关注的问题, 人们有时忘记关掉电源、照明灯, 有些实验仪器存储时需要一定的温度和湿度调节, 而如今多数温度采集系统都是基于有线信号传输的, 布线较为复杂, 成本也相对较高, 而且也不够方便, 为了满足这些需求, 本文设计了一种基于Zig Bee传感器技术的智能无线采集节点, 通过无线传输实时监测实验室内的各项指标, 实验证明该节点稳定可靠并且维护方便, 并配有触摸屏显示系统和以太网通讯模块实现终端实时跟踪。

二、CC2530及Z-Stack协议栈

传感器节点的主要功能是采集和处理周围发出的信息, 并将处理后的信息发送给相邻节点或者转给协调节点, 早期常用的如CC2430、CC1110等。但是早期的节点传输距离短, 而且通讯数据不稳定, 一般在100M以内, 已经不能满足现代环境的需求。CC2530是TI公司的最新产品, 它有着较强的RF性能, 高达256KB的可编程内存和8KB的RAM, 内部集成了高性能收发器和8051微处理器, 以及8通道12位的ADC, 支持CSMA/CA功能、数字化RSSI/LQ功能以及能够通过电池监测和温度感测功能, 并且支持多种传输协议, 用CC2530作为实验室温度采集节点模块能够保证无线通讯和采集的质量, 从而达到预期效果。

Z-Stack协议栈是专门为Zig Bee技术设计的, 并嵌入到IAR软件开发平台, 其主要作用是方便程序员的项目开发, 并提供了各个子模块的工作程序。Z-Stack协议栈采用的是事件轮循机制, 主要有初始化和执行两个过程, 对于用户, 能够调用好应用层函数就可构建出功能和性能都相对稳定的无线网络。

三、测量节点的硬件设计

在实验室传感器系统中每个测量节点都将分布在不同位置, 而且每个节点有其各自实现的功能, 比如门窗控制节点、电源控制节点、温湿度控制节点以及日光灯控制节点等, 节点通过监测相关状态再通过网关命令实现相应操作。

(一) 智能温湿度传感器节点。

实验室中通过温湿度节点实时采集温湿度值并返回给网关, 也可同时触发采集的任务, 采用CC2530和DB130-10数字温湿度传感器来实现。DB130-10是一种数字电缆型传感器, 采用SHT10作为其核心部件, 它由一个电容式聚合体测湿敏感元件和一个测温元件组成, 集成到同一芯片上, 能够和14位的A/D转换器加上串行接口电路实现无缝连接。选择DB130-10数字温湿度传感器能够保证传感器的高可靠性和高稳定性, 同时具有响应快、抗干扰能力强和性价比高等优点。湿度值在0~100%RH区间变化, 温度值在-10~80℃区间变化, 并且都能达到很高的精度。

数据测量将用到以下公式:

此公式中分别用OT和ORH来表示实际测量得到的温度值和湿度值, 这是通过一组8位的传输时序来实现的, 通过高低电平的转换得到, 读取数据时, 用CRC奇偶校验来验证所接收的数据是否正确, 再经过上面两个公式的转换得到实际需要的摄氏温度和相对湿度。

(二) 光照传感器节点。

光照传感器节点的功能是在白天通过检测太阳光照强度自动关闭日光灯电源, 在夜晚检测实验室内没有人的情况下日光灯是否打开, 可以监督实验教师是否尽职尽责, 如果没有关灯, 可以通过智能客户端来切断电源。在实现这些功能前先要介绍下什么是光照强度以及如何来衡量, 光照强度实质上就是在单位面积中, 如在一个实验室中, 所能接收到的可见光的能量度, 通常夏天的阳光照射强度比较强, 能够达到6万勒克斯, 而日落时的光照强度只能达到300勒克斯左右, 而黑暗的夜晚仅仅达到0.003勒克斯。本文采用BH1750FVI来实现光照强度的测量, 它是一种数字型光照强度传感器的集成电路, 采用串行总线接口实现, 它能够传输出相应亮度的数字值, 传输的范围也比较广, 电流传输的功率也比较低, 而且光源依赖性相对较弱, 对外界有较强的抗干扰性, 由于BH1750FVI的这些优点, 能够实现所需的功能。

光照传感器一共有6种测量模式, 每个测量光照强度模式对应一个测量分辨率和测量时间, 比如在连续H分辨率模式下, 它的测量分辨率是1勒克斯, 测量时间是120毫秒;而在连续L分辨率模式下, 测量是在4勒克斯分辨率下开始的, 同时测量时间缩短为16毫秒。每种模式都有其各自所需达到的功能, 比如H分辨率模式下, 测量时间比较长, 它的优点是能够抑制一些强噪音, 而它的分辨率是1勒克斯, 通常适合于黑暗的环境下, 采用这种模式可以实现检测夜晚无人时是否开灯。

(三) 感应传感器节点。

感应传感器节点的功能主要是用来监测实验室中是否有人, 如果长时间没有人有任何动作, 感应传感器将自动转为低电平状态从而关闭电源, 这个时间会尽可能调到最大值, 并将感应距离扩充到整个实验室。本文用到的感应模块是HC-SR501, 它是一种基于红外线的全自动控制感应模块, 可以自行调节感应距离和感应延时时间, 该模块通过双元探头感应到人体, 时间差和距离差越大, 对人体的感应就越灵敏, 可以将感应模块放在实验室门的旁边, 这样若有人进出时可以时刻被监测到。

四、节点软件设计

系统采用Z-Stack协议栈专用的IAR平台来实现软件设计, 上位机软件采用的是面向程序设计语言VC++。测量节点将测得的数据传给离它最近的中继节点, 此中继节点接到数据后依次发给比自己地址大1的节点, 直到传给离主节点最近的中继节点, 由它直接把数据传给主节点, 最后由主节点通过串行接口发送到上位机中。具体流程如下:首先要对CC2530及每个传感器节点进行初始化, 并测量各项数据, 读取传感器LCD屏幕显示的数值, 将数据发送给中继节点, 重复以上过程, 在上位机上实时监测传送的数据。部分程序显示如下:

五、结语

本文采用无线传感器技术对智能节点进行软硬件设计, 构造了一种实验室智能网络监测环境, 通过对数据的实时采集和处理实现了对实验室内的温湿度监测、光照感应监测以及对人体感应的监测, 实验证明该节点有着较高的灵敏度, 而且运行稳定、成本低、可靠性高。

摘要：文本针对实验室的实际需求, 设计了一种以CC2530为硬件平台, 以TI的Z-Stack为软件协议栈的无线传感器智能监测节点。主要实现对实验室温度、湿度以及光照等数据的实时采集, 是一种基于以太网的远距离智能通讯节点, 实际验证节点的性能和通讯距离都有很大的提升。

关键词：无线传感器,CC2530,监测节点,智能通讯

参考文献

[1] .徐婉.基于以太网和ZigBee的智能家居系统设计[D].太原理工大学, 2012

[2] .王蕴喆.基于CC2530的办公环境监测系统[D].吉林大学, 2012

CC2530模块 第6篇

变电站是输电和配电的集结点,在输配电过程中起着承上启下的作用。变电站中的高压开关柜、GIS等高压电器和母线等电力设备在负载过大时会出现温升过高,最终可能导致相邻的带电部件绝缘性能劣化,甚至击穿[1,2]。根据电力安监部门提供数据表明,全国电力企业每年因为开关设备、母线温度过高而引发的重大事故上千起,给企业生产和经营造成巨大经济损失[3]。通过对母线接点、高压电缆接头温度的运行情况进行检测,可有效预防变电站高压输、变电事故的发生,为实现电网安全稳定运行提供有效保障。因此采取措施监测变电站高压母线及高压开关触点温度是电力系统急需攻关的重大课题。

测温装置从早期的贴片测温,发展到人工红外测温,逐步向在线式测温系统发展[4]。当前使用较多的仍为人工红外测温技术和有线测温系统,有线测温系统由于连接线路较多,安装地点复杂,联调困难等问题,故推广难度较大。人工红外测温技术虽然具有使用方便快捷、精度较高等优势,但是对高压开关柜中封闭的接点检测存在很大的困难,无法透过开关柜柜门进行检测。

为了弥补之前测温方法的不足与缺陷,本文提出了一种变电站设备无线测温系统。该方法主要采用数字式温度传感器和无线传感网络对变电站设备进行在线式的温度测量。此系统采用唯一的地址编码,由数字式温度传感器DS18B20将接点的温度信息进行转换送入MSP430F449单片机,MSP430将温度信息转换为数字信息,经CC2530通过Zig Bee无线传感网络传输到基站,再由基站上传至人机模块,人机模块将基站上传的温度数据进行处理后进行保存,以供实时监测、历史查询等功能使用。下文将对变电站设备无线测温系统的硬件组成、软件设计及数据处理分析进行介绍。

1 系统的硬件组成

基于CC2530的变电站设备无线测温系统主要由三部分组成[5]:(1)无线测温终端模块,主要功能是准确测量变电站设备温度,并上传测温数据;(2)无线测温基站模块,将测温终端模块上传的温度数据存储,通过无线传感网络上传至无线测温人机模块;(3)无线测温人机模块:接收基站模块上传测温数据,对该数据进行分析处理、存储,完成在线式的温度测量。将温度数据在人机界面实时显示并随时等待远程计算机终端数据调用。系统的硬件设计示意图如图1所示。

1.1 无线测温终端模块

无线测温终端模块主要元件由温度传感器DS18B20和CC2530无线芯片构成[6]。DS18B20无需A/D转换即可直接将被测温度模拟信号转换为数字信号供CC2530进行处理,它的测量范围从-55℃~+125℃,增量值为0.5℃。每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号,该序号值存放在DSl8B20内部的ROM(只读存贮器)中。CC2530F256拥有先进的RF收发器的优良性能,标准的行业增强版8051主芯片,8 k B随机存储器和256 k B系统内可编程Flash[7]。CC2530F256具有多种工作模式,特别适应工作在要求超低功耗的系统。工作模式之间的切换时间短从而进一步保证了低消耗。无线测温终端的供电电源选择神火18 650型锂电池,其容量为8 000m A·h,输出电压为3.6V,测温终端模块可以连续使用三年以上,避免了频繁更换电池的困扰。无线测温终端模块的实物图如图2所示。

1.2 无线测温基站模块

无线测温基站模块由无线收发模块,16位超低功耗微处理器MSP430共同构成。

MSP430F449是一款16位单片机,它的功耗小、采用了精简指令集(RISC),具有丰富的寻址方式[8]。为了体现系统的实时性,上传的数据需同时记录测温时间等信息,本系统设计以基站时间为准,时钟模块选用美国DALLAS公司研发生产的I2C总线接口DS1307时钟芯片。该芯片可独立于基站CPU工作,具有计时准确的特点,月累计误差小于10 s。DS1307有内置的功率检测电路,若检测到外部电源出现故障则自动切换到电池供电,保证时钟模块的不间断运行。无线测温基站模块的实物图如图3所示。

1.3 无线测温人机模块

无线测温人机模块主要包括ARM和CC2530芯片,ARM微处理器采用S3C2440A芯片,该芯片经过工业级电磁兼容测试。S3C2440A以ARM920T为核心,采用0.13 um CMOS标准单元和存储器编译器开发,它采用了被称为高级微控制器总线架构(AM-BA)的新的总线架构。无线测温人机模块的实物图如图4所示。

2 系统软件设计流程

无线测温系统的软件按功能模块进行设计,每个功能模块上的软件独立运行。人机模块与基站通过无线传感网络进行通讯;基站通过Zig Bee无线通讯管理无线测温终端。综合考虑无线测温系统功能和硬件的结构,系统的软件设计主要包括三个方面:温度采集程序、Zig Bee协议程序和人机模块软件功能程序。

2.1 温度采集设计

首先对CC2530进行初始化设置,无线测温模块发出搜索与其相对应测温点地址的命令,测温点DS18B20在与CC2530建立连接后,接收CC2530发送的读DS18B20序列号ROM命令,最后CC2530发送读寄存器指令,把相应测温点DS18B20寄存器内的数据放入CC2530 RAM的指定地址中。温度采集程序流程图如图5所示[9]。

2.2 ZigBee协议程序设计

ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的,定义了协议的MAC和PHY层。PHY由单双工的无线收发器及其接口组成,工作频率为2.4 GHz,它可以直接利用无线信道实现数据传输。MAC提供节点自身和与其相邻的节点间可靠的数据传输链路,其主要任务是实现传输媒体的共享,提高通信的有效性。NWK利用MAC层可靠的数据通信,提供路由、多跳转发功能,实现和维护星形、树簇形或网格形网络。

星型拓扑网络结构简单,对终端节点不是很多的系统来说,能够使网络简化,功耗降低,故本方案采用星型网络结构。网络结构中路由器则需完成信息的转发、发现邻居、构造到相邻节点的路由等任务。协调器的任务包括建立网络,为新加入的终端模块及基站模块分配地址等。Zig Bee协议程序流程图如图6所示。

2.3 人机模块软件功能设计流程

人机模块的主要任务是接收基站上传的测温数据信息,将其分解提取有效温度信息进行温度预警计算和报警计算,而后存入指定的位置,实时更新人机界面的显示,并可以通过以太网与远程计算机进行互联。

本系统人机界面部分使用C语言编程,上位机界面主要是由4.2寸触摸式液晶屏组成,其设计应遵循操作方便、信息直观清楚、响应及时、为客户提供帮助和纠错性等原则。

人机模块软件功能结构图如图7所示。

3 系统算法处理分析

在人机模块中,前端采集服务通过无线路由与测温基站模块通信已得到测温数据,并将测温数据存储于外扩存储器中。系统测温算法利用原始测温数据进行报警判断,并将报警信息存储于外扩存储器相应地址中。根据对无线传感器所在的位置以及传感器本身工作状态的分析,本文提出以下三种报警类型。

(1)单一测温终端报警

对安装于关键设备处和易发热位置处的每个测温终端进行报警。每个测温终端模块根据历史数据和本身所在设备的属性、所处环境温度值等,都会有相应的安全运行临界值。一旦实时测温数据超过该临界值,即可以认为该设备进入潜在的不正常运行状态,需要进行报警处理。报警分为高级、中级、低级三种,各对应一个报警临界值。计算时,通过对比当前温度与三级临界值,判定所处报警等级。使用本报警能够更加确切地反映设备运行状态。单一测温终端报警逻辑结构图如图8(a)所示。

(2)测温终端组报警

针对同一设备的所有测温终端进行的报警,处于同一设备的多个测温终端,即便没有超过低级临界值,但是若全部都接近低级临界值,则该设备依然可能存在过热现象。本报警方式便是针对该种情况。测温终端组报警逻辑结构图如图8(b)所示。

(3)测温终端自身异常报警

针对测温终端自身的非正常行为进行报警。测温终端在工作中,有时因为电池容量不够,或有时因为所处环境较为恶劣等原因导致自身工作异常,如长期上传乱码或异常数据等。由于异常的测温终端上传异常数据会造成误判,影响整个无线测温系统的正常运行。所以,当某一个测温终端出现异常报警时,系统应进行报警,并在网络中切除该测温终端,及时对其进行检修。

4 实验论证

该装置采用IAR集成开发环境完成了软件的开发与调试,并结合测温系统进行了整体调试,形成了简单的实验系统。通过测试,测温系统能够达到预期的功能,测温精度达到±1℃。实验中通过与电脑串口相连,通过串口助手就可以看见测温终端模块上传的测温数据。串口助手软件的无线测温界面如图9所示。

5 结束语

该无线测温系统采用低成本、低功耗的CC2530无线芯片和低功耗单片机MSP430F449为核心,采用数字式温度传感器DS18B20获取温度信息,具有体积小、低功耗、性能可靠稳定等特点。通过联机调试表明采用精简的协议栈组成的星型网络性能优良。随着智能电网的不断推广,变电站设备无线测温系统势必在变配电领域得到广泛应用。

摘要：随着智能电网的推广,电力系统对电气设备的安全运行提出了更高的要求,特别是智能变电站等无人值岗的区域,其安全尤为重要。为了监测变电站内电气联接薄弱点的温升超标情况,设计了一种基于CC2530的无线测温系统方案。方案以CC2530和MSP430F449为核心,采用DS18B20进行精确测温,并针对不同报警方式提出相应算法。方案成本低、易组网、可靠性高,可以运用于各种复杂的工控现场高效而准确地进行温度采集和无线传输。

关键词：温度测量,CC2530,无线传输,MSP430F449,DS18B20

参考文献

[1]邓世杰.中置式开关柜的无线测温方法[J].高压电器,2010,46(11):99-102.

[2]覃奇,陈金,鄢芬,等.嵌入式协议转换器在无源无线测温系统中的应用[J].电气技术,2012,13(12):53-56.

[3]陆原,宋杰,王永青,等.一种用于供电系统的无线测温网络[J].仪表技术与传感器,2010,47(1):49-51.

[4]徐波,杨帆.高压开关柜无线测温系统的研究[J].电测与仪表,2012,49(10):91-94.

[5]崔陆军,尚会超.基于AVR单片机的无线测温系统[J].仪表技术与传感器,2012,47(9):57-59.

[6]常波.基于Zig Bee的远程监测系统[J].仪表技术与传感器,2010,45(11):41-45.

[7]郑茂全,侯媛彬.基于CC2530的井下人员信息采集模块设计[J].工矿自动化,2012,10(6):7-10.

[8]胡大可.MSP430系列超低功耗单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

CC2530模块 第7篇

无线传感器网络是由大量集成了传感、数据、收集、处理和无线通信能力的小体积、低成本的传感器节点构成的自组织网络,广泛应用于军事国防、国家安全、环境检测等领域[1]。无线传感器网络主要由传感器节点、汇聚节点、任务管理节点构成。 在无线传感器网络中,节点因采用电池供电而能量受限,因此, 节点的低功耗设计成为无线传感器网络需要关注的重点因素之一。

ZigBee网络的出现填补了无线通信市场上低成本、低功耗设备领域的空缺,目前已经有上百家半导体、通信领域的公司加入了ZigBee联盟,具有很大的市场潜力。本文主要分析基于CC2530芯片的Zig Bee网络节点低功耗的设计方法。

1节点低功耗问题

ZigBee技术本身就是一种低功耗的无线数据传输技术,在其协议栈的编写过程中,已经对其电源的使用进行了管理。在网络中低功耗方式仅用于由电池供电的终端设备,对于协调器和路由器来说,它们需要维持网络的存在及路由,需要时时刻刻处于工作状态,因此需要使用主电源供电,不存在低功耗状态。

节点电源管理主要针对的是利用电池供电的终端设备, 尽量减少其短暂无线电通信之间的功耗。通常,一个终端设备在禁用功耗的外设和空闲期间进入睡眠模式。Z-Stack还提供了2种睡眠模式,轻度休眠和深度休眠。轻度睡眠在系统需要唤醒去执行与预定时间延迟的活动时被使用。深度睡眠被使用的是没有未来的活动计划,需要外部刺激(如按一个按钮)唤醒设备时。轻度睡眠普遍降低功耗到几毫安,而深度睡眠减少到几微安。睡眠的终端设备的例子产品包括传感器, 它被定时地唤醒以报到它们采集到的信息,还有远程控制设备,它被用户按键唤醒发送邮件。这些类型的设备的共同特点是:它们大部分时间处于睡眠模式,最大限度地减少功耗。

但是仅有这些电源管理是不够的,虽然终端节点可以进行睡眠状态,但是在整个数据实时采集系统中,毕竟处于睡眠状态的时间是非常短暂的,而对于终端节点来说,发送和接收数据是能耗最大的时刻,因此还应该采取其他方面(包括软件、硬件)的设计,进一步减少节点的功耗,保证节点的寿命。

2硬件设计

2.1微控制器的选择

根据目前市场几个公司提供的ZigBee通信协议产品特点[2],目前市场上ZigBee芯片的制造商主要有Freescale、TI、 Ember、Jenic。芯片的主要特点如表1所示。通过表中数据可知,CC2530芯片较为合适。TI/chipcon公司的CC2530芯片, 采用标准的8051微处理器,微控制器提供时钟分配及电源管理等功能,且根据使用需求不同,其存储器大小可调,使用方便,其他几家生产的ZigBee芯片都采用自己的微处理器。而采用8051内核的芯片,无需重新学习微处理器结构原理,无需重新熟悉编译/调试工具;对片上系统的I/O、定时器、A/D、 PWM、看门狗等,也无需重新学习。

结合表1所示,从ZigBee芯片微处理器性能[3]、协议栈及市场价格到最后的开发成本以及对芯片内核的熟悉程度等方面综合考虑,本文最后采用TI公司提供的CC2530模块。该模块存储容量大,并且采用大家熟悉的8051处理器内核,性能满足工业、农业等领域需求,其较低的价格,符合低成本开发、低功耗的要求。

2.2硬件总体设计方案

根据所选择的微处理器,低功耗节点的硬件总体设计方案如图1所示。微处理器CC2530本身带有射频功能,所以不需要外加射频芯片,CC2530通过I/O口与按键单元、测温单元、 串口芯片相联,实现按键的读取、温度传感器的读写、信息的传输。CC2530有32MHz与32.768kHz 2个晶振。

3软件设计

从数据采集系统的整个应用环境分析,为了能够将系统功耗降到最小,除了需要在硬件上做一些合理的设计外,更重要的是通过软件设计来降低,这样可以减少整个系统的成本开销。

由于传感器节点长期被放到需要检测的位置,负责采集数据,影响到整个检测系统的性能。对于传感器节点来说,可以使用电池进行供电,能量消耗最大的时刻就是在数据发送和接收的时候,而在其他时刻可以使传感器节点进行数据采集就可以。

在ZigBee网络协议栈中,为了减小系统的功耗,已经在程序中有一部分的设计。此部分设计如下,主要包含在以下3个文件中:

(1)OSAL_Pwr Mgr.h OSAL电源管理的API头文件;

(2)OSAL_Pwr Mgr.C OSAL电源管理的API C文件;

(3)hal_sleep.c底层的电源管理文件。

这3个文件主要是定义了进行的任务是否需要进入低功耗功能、怎么进入低功耗功能以及如何唤醒休眠状态等,这些都是在网络层进行的设置。

对于应用层来说,前面已经介绍过对于传感器节点与汇聚节点来说,消耗能量最大的时刻即为发送和接收阶段,那么当节点在不需要进行信息发送和接收的时候,让节点进入系统休眠阶段,这样就可以降低节点的功耗。同时减少接收和发送数据的次数,也可以减少节点运行的功耗,从而保证节点能够长时间运行。设计低功耗部分程序的流程如图2所示。

4系统测试

本设计中使用万用表进行节点电流的测试,以确定节点的相应特性。我们只测试终端节点的电流消耗,即负责进行数据采集的传感器节点的电流消耗测试。

对于无线传感器网络来说,终端节点使用2节5号电池进行供电,节点入网后即处于休眠状态,使用万用表对节点芯片进行测试,可以得出以下数据:测得休眠时候的电流仅为0.95mA,在节点发送命令或者数据给协调器或路由器的瞬间, 电流为27mA,发送完毕后,节点定时休眠,定时醒来再次发送提取处理结果。无论在有数据传输还是无数据传输时,终端节点运行过程中的平均电流最高为8.8mA,假设网络协调器每2 min请求传送数据1次,传感器节点接收请求和处理的时间为2 000ms,则节点的工作能耗为:

每日总能耗不会超过3.6mAh,其他传感器节点数据发送频率等于或低于此。使用容量为1 200mAh的2节7号或者5号电池可供电时间为:

根据式(2)计算,可供电近2年,因此满足了系统的低功耗需求。参数如表2所示。

5结语

为了实现基于ZigBee的低功耗、高性能的无线传感器节点,选择CC2530芯片作为控制器,在硬件设计与软件设计中采取了一些降低功耗的方法,在软件设计中,通过降低节点发送数据与接收数据的次数,来降低节点在运行过程中的功耗。实验结果表明,节点具有良好的低功耗特性。

摘要：无线传感器网络中节点的功耗决定着整个无线传感器网络的生命周期,因此,设计低功耗、高性能的传感器节点尤为重要。现描述了基于CC2530的低功耗节点设计,并以采集温度为例进行了模块测试,实验结果表明,节点低功耗设计方案能够保证低功耗特性的实现。