基于CC2430的低功耗智能家居數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

鄭 毅 ， 劉潤華

（東營市技師學(xué)院 山東 東營 257091；2.中國石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266555）

隨著科技發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)家居環(huán)境的需求也日益提升，智能家居系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。智能家居系統(tǒng)作為新興的產(chǎn)業(yè)，在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展。智能家居系統(tǒng)的通信一般有以下解決方案[1]：1）采用電力載波技術(shù)，可充分利用住宅內(nèi)已有的電力線和無處不在的電源插座，無需重新布線，經(jīng)濟(jì)方便[2]，但由于現(xiàn)階段技術(shù)不成熟實(shí)施有很大困難，且由于載波頻率過低傳輸速度慢；2）采用家庭總線技術(shù)，可利用新建住宅中提前鋪設(shè)線路，為用戶提供一套系統(tǒng)完整的、功能強(qiáng)大的、性能穩(wěn)定的具有一定檔次的智能家居系統(tǒng)，但對(duì)已建成住宅改造來說工程量巨大，實(shí)用性差；3）采用各種無線技術(shù)，適用于已完成裝修的住宅，其獨(dú)有的可移動(dòng)性完全擺脫了有線方式的束縛，且安裝簡(jiǎn)單、配置靈活，便于以即插即用的家電化方式來解決安裝、升級(jí)、維護(hù)的難題。

這里采用構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，具有組網(wǎng)方便、低功耗、低成本、高可靠性、高網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)點(diǎn)[3]。本系統(tǒng)采用CC2430作為主控核心，所采集到的數(shù)據(jù)通過PC上位機(jī)進(jìn)行圖形化界面顯示和數(shù)據(jù)的入庫存儲(chǔ)，可以方便地實(shí)現(xiàn)家居數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和查詢，方便為后續(xù)調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3種：星狀結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按功能可分為終端節(jié)點(diǎn)（EP）、路由器節(jié)點(diǎn)（RP）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（CP）3種[4]。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 ZigBee network topology structure

本系統(tǒng)采用星狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)由無線傳感器構(gòu)成的終端節(jié)點(diǎn)，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接。網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)與每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通信，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間無通信，通信遵循ZigBee協(xié)議[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為兩級(jí)：無線傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

2.1 無線傳感器

無線傳感器的功能是采集室內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，并通過基于ZigBee協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜C上位機(jī)。需要根據(jù)所采集參數(shù)的不同選擇合適的傳感器，根據(jù)所選擇傳感器確定調(diào)理電路和供電電路。無線傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器原理框圖Fig.2 Wireless sensor principle diagram

傳感器的選擇需要根據(jù)所采集的參數(shù)的不同來進(jìn)行，一般來說，家居環(huán)境中需要采集的參數(shù)有以下幾種：溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等[6]。

根據(jù)小體積、低功耗、安裝方便等原則選取無線傳感器所使用的傳感器，選用SHT10溫濕一體化傳感器測(cè)量家居環(huán)境中的溫度和濕度，其供電電壓為2.4～5.5 V，可直接以無線傳感器的電源供電；測(cè)濕精度為±4.5%，室溫下溫度測(cè)量精度為±0.5℃，滿足智能家居數(shù)據(jù)采集的精度要求；選用英國GSS公司的C20傳感器測(cè)量家居環(huán)境中的二氧化碳濃度，其輸出量為RS232串口數(shù)字輸出，感應(yīng)時(shí)間小于4 s，供電電壓5 V和3.3 V可選，功耗小于100 mW，符合低功耗要求；選用MG41-21光敏電阻測(cè)量家居環(huán)境中的光照強(qiáng)度，其暗電阻大于等于0.1 MΩ，亮電阻小于等于1 kΩ，滿足測(cè)量精度要求。

CC2430外部有20個(gè)通用I/O口，其中P0口8個(gè)管腳可以直接連接外部模擬量輸入，內(nèi)部有14位高速ADC，滿足各類傳感器的輸入和A/D轉(zhuǎn)換的需求。CC2430與各類傳感器的連接電路如圖3和圖4所示。

圖3 數(shù)字傳感器與CC2430連接示意圖Fig.3 Digital sensors and CC2430 connection diagram

在溫濕一體化傳感器SHT10與CC2430連接時(shí)，雙方均為3 V供電，數(shù)據(jù)線需加裝上拉電阻以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。二氧化碳傳感器C20采用5 V電源供電和串口通信，為達(dá)到與CC2430的匹配需在數(shù)據(jù)線路中加裝MAX3232以進(jìn)行電平的匹配，MAX3232供電范圍為3～5.5 V，可選用3 V和5 V任意電源供電。由于二氧化碳傳感器需要預(yù)熱時(shí)間，所以數(shù)據(jù)采集時(shí)需要留出5 s的余量，待穩(wěn)定后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

圖4 光敏電阻與CC2430連接示意圖Fig.4 Photoconductive resistance and CC2430 connection diagram

光敏電阻根據(jù)不同光照強(qiáng)度，電阻值在1～100 kΩ寬范圍內(nèi)波動(dòng)，在電路中增加100 kΩ的分壓電阻，在不同光照條件下采集MG41-21的兩端電壓，根據(jù)電壓值的不同即可采集到不同的光照強(qiáng)度。在電路中加入LM358運(yùn)算放大器，接成電壓跟隨模式，可方便的完成光照強(qiáng)度的采集。

無線傳感器采用電池供電，為保證電池的使用壽命，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面低功耗設(shè)計(jì)，其中包括休眠模式設(shè)計(jì)和電源模式設(shè)計(jì)。

CC2430外接兩個(gè)晶振：32 MHz晶振與 32.768 kHz晶振。32 MHz晶振在正常的工作條件下使用，保證數(shù)據(jù)采集和處理的速度。32.768 kHz晶振用于休眠模式，在此模式下降頻休眠可進(jìn)入低功耗模式。CC2430具有4種電源模式，可根據(jù)不同需求選擇以降低功耗。

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用輸出可關(guān)斷的MAX619芯片來進(jìn)行電源的控制，在休眠模式下切斷傳感器和調(diào)理電路的電源，保證系統(tǒng)整體低功耗。MAX619可通過配置接口接收CC2430的關(guān)斷指令和恢復(fù)指令，在系統(tǒng)喚醒后可迅速恢復(fù)傳感器供電，快速進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。由于在日常家居生活中不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二氧化碳的濃度，且二氧化碳傳感器所消耗功耗較大，故在軟件設(shè)計(jì)中使用MAX619控制C20傳感器的電源供應(yīng)，在得到指令后方開啟。

2.2 調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)的功能是連接上位機(jī)系統(tǒng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的接口，其構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，僅需一片CC2430外部引出天線及RS232串口，采用5 V電源適配器輸出供電，不需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。由于CC2430的電平與上位機(jī)串口電平不匹配，需在中間加入MAX3232進(jìn)行電平匹配。路由節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)僅需控制ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)的建立和如實(shí)轉(zhuǎn)發(fā)無線采集到的數(shù)據(jù)和上位機(jī)控制命令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感器軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器在上電后進(jìn)行初始化操作，并且向路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)入網(wǎng)，根據(jù)ZigBee協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)特性完成入網(wǎng)注冊(cè)，分配地址等操作。以上操作結(jié)束后即進(jìn)入正常工作階段（C20傳感器工作狀態(tài)下），正常工作階段由休眠喚醒后打開傳感器和調(diào)理電路電源，進(jìn)行傳感器預(yù)熱。預(yù)熱結(jié)束后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)回復(fù)接收成功后關(guān)閉傳感器與調(diào)理電路電源，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠階段。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖5所示。

圖5 無線傳感器數(shù)據(jù)采集流程Fig.5 Flow chart of wireless sensor data acquisition

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)采用個(gè)人計(jì)算機(jī) （Personal Computer）來實(shí)現(xiàn)，采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)，方便數(shù)據(jù)庫的連接和遠(yuǎn)程訪問。數(shù)據(jù)接收和圖形化界面顯示功能采用Borland公司的Delphi2005開發(fā)環(huán)境。Delphi同時(shí)兼?zhèn)淞薞C功能強(qiáng)大和VB簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，采用Object Pascal語言，具有高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，適合工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，同樣適合智能家居系統(tǒng)的程序開發(fā)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用SQL Server 2005，此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)穩(wěn)定性好，連接方式多樣，可以存儲(chǔ)242字節(jié)級(jí)別的數(shù)據(jù)，且使用SQL語言可以完成所有的操作，與Delphi2005兼容性好，可將SQL語言嵌入其中。

上位機(jī)系統(tǒng)接收到RS232串口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)完畢之后對(duì)其進(jìn)行入庫操作。在Delphi環(huán)境下采用ADO連接SQL Server數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)在iplot控件下繪制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形圖。采用DBGrid等控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢操作，并編寫Excel轉(zhuǎn)換程序?qū)⒉樵兘Y(jié)果生成Excel報(bào)表。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)性能測(cè)試分為采集精度測(cè)試、傳輸性能測(cè)試和功耗測(cè)試3個(gè)方面。

4.1 采集精度測(cè)試

采集精度測(cè)試主要針對(duì)溫度和濕度進(jìn)行測(cè)試，參照為anymetre公司的JR900A溫濕度計(jì)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 采集精度測(cè)試Tab.1 Acquisition accuracy test

由表1可以看出，無線傳感器的溫度采集誤差均在0.2%以內(nèi)，濕度采集誤差均在0.6%以內(nèi)，滿足智能家居系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度要求且誤差在可接受范圍內(nèi)。

4.2 傳輸性能測(cè)試

傳輸性能測(cè)試主要測(cè)試無線傳感器與協(xié)調(diào)器的通信可靠性，在智能家居系統(tǒng)中往往有多間房屋，通信過程中由于墻壁的阻隔不能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送。設(shè)定無線傳感器數(shù)據(jù)采集周期為1 min，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為12 H（720 min），采用兩節(jié) 5號(hào)電池供電，測(cè)試對(duì)象為5只無線傳感器，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 傳輸性能測(cè)試Tab.2 Transm ission performance test

由表2可以看出，所有的無線傳感器與協(xié)調(diào)器的通信成功率均為100%，驗(yàn)證了Zigbee協(xié)議通信的可靠性。

4.3 功耗測(cè)試

無線傳感器采用兩節(jié)5號(hào)電池供電，供電電壓3 V。設(shè)定1 min采集一次數(shù)據(jù)，C20傳感器長(zhǎng)關(guān)狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集期間工作50 ms，工作電流約為30 mA，休眠期間MAX619關(guān)斷輸出，電流在1 μA左右。采用2節(jié)容量為200 mAh的5號(hào)電池理論工作時(shí)間在13個(gè)月左右，經(jīng)測(cè)量，無線傳感器在C20關(guān)閉的情況下正常工作時(shí)間均超過6個(gè)月，滿足低功耗要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了封裝有ZigBee協(xié)議和8051單片機(jī)內(nèi)核的CC2430作為主控芯片實(shí)現(xiàn)無線傳感器的設(shè)計(jì)，通過對(duì)家居環(huán)境中溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過射頻通信方式傳輸至上位機(jī)中。在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和入庫存儲(chǔ)，能夠方便的觀測(cè)和查詢家居環(huán)境的數(shù)據(jù)，為后續(xù)智能家居環(huán)境的調(diào)控奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于CC2430的低功耗智能家居數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可方便的實(shí)現(xiàn)家居數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，具有低功耗、自動(dòng)組網(wǎng)、無需人工干預(yù)、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于家居的智能化改造之中。

[1]南忠良，孫國新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（7）:117-119.NAN Zhong-liang，SUN Guo-xin.Design of smart home system based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2010，18（7）:117-119.

[2]祁明晰，祁昶，黃天戍.基于電力線載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25（3）:72-75.QI Ming-xi， QI Chang， HUANG Tian-shu.Home automation system based on power line carrier communication technology[J].Electric Power Automation Equipment，2005，25（3）:72-75.

[3]劉雅舉，蔡振江，張莉，等.基于射頻芯片的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（22）:167-168.LIU Ya-ju， CAI Zhen-jiang， ZHANG Li， et al.The design of ZigBee wireless sensor network node based on RF CC2430[J].Control&Automation， 2007，23（22）:167-168.

[4]夏恒星，馬維華.基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33（5）:45-48.XIA Heng-xing，MA Wei-hua.The implementation of wireless sensor network node based on CC2430[J].Application of Electronic Technique，2007，33（5）:45-48.

[5]郭占龍.基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（5）:115-116.GUO Zhan-long.Intelligent family-house control system based on single-chip microcomputer[J].Embedded System&SOC，2007，23（5）:115-116.

[6]關(guān)博.基于CC2431芯片的電子巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，30（2）:46-49.GUAN Bo.Design of electronic inspection system based on CC2431 chip[J].Journal of Northeast Dianli Uiniversity：Natural Science Edition，2010，30（2）:46-49.