基于CC2540的實驗室無線信息采集系統(tǒng)設(shè)計

傅智河，劉世羲，連少霖，黃 達

（龍巖學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，福建 龍巖 364012）

基于CC2540的實驗室無線信息采集系統(tǒng)設(shè)計

傅智河，劉世羲，連少霖，黃 達

（龍巖學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，福建 龍巖 364012）

本文以射頻芯片CC2540為核心，建立低功耗、低時延的藍牙（BLE4.0）無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計并實現(xiàn)了實驗室無線信息采集，同時給出了系統(tǒng)硬件構(gòu)架及上、下位機軟件設(shè)計.并就組網(wǎng)技術(shù)進行了相關(guān)測試，驗證設(shè)計方案的可行性.

數(shù)據(jù)采集；無線通信；藍牙技術(shù)

無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是近年來新的發(fā)展趨勢，將無線技術(shù)引入數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，可以解決某些不便布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集問題，克服有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩和維護困難的缺點，提高采集系統(tǒng)的適應(yīng)性[1].藍牙4.0作為一種新興的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，主要具有以下特點：工作在2.4GHz的ISM頻段，極低的運行和待機功耗；使用1Mb/s速率以達到最大限制帶寬；具備AES-128加密等.本文基于藍牙4.0研究實現(xiàn)實驗室無線信息的采集.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、BLE終端節(jié)點、BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點、上位機等部件構(gòu)成，采用BLE4.0無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)收集到一個BLE協(xié)調(diào)器中，并由上位機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示和處理，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示.其中數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集終端主要完成電流、溫度、濕度等參數(shù)的采集；BLE終端節(jié)點主要完成從數(shù)據(jù)采集終端接收數(shù)據(jù)，并通過無線通信方式發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，或者接收BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的控制命令；BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，管理整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，存儲BLE網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的信息.協(xié)調(diào)器主要任務(wù)是收集終端節(jié)點發(fā)出的信息，組建網(wǎng)絡(luò)，并通過RS232接口把數(shù)據(jù)傳到上位機；上位機接收BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點傳來的信息，并處理和顯示數(shù)據(jù)[2，3].

圖1-1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體方框圖

1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示，以CC2540為核心，通過轉(zhuǎn)換接口RS232，建立協(xié)調(diào)器與上位機之間數(shù)據(jù)或命令的快速傳輸，從而實現(xiàn)PC綁定數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)命令、節(jié)點信息及網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)等功能[4].

圖1-2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1-3 終端器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.3 終端器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

終端器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示，終端節(jié)點硬件分為兩大部分：無線傳輸模塊及終端底層電路模塊，無線傳輸模塊用于終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，終端底層電路模塊用于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集.

1.4 核心模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)核心電路由CC2540芯片構(gòu)建，由于CC2540將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當(dāng)中，因而簡化了電路的設(shè)計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計，縮短了研發(fā)周期[5].電路原理圖如圖1-4所示.為得到更好的性能，電源濾波電路參考TI公司濾波電路選擇了合適的去耦電容進行濾波，提高了抗干擾能力，充分利用CC2540的I/O口，增加無線模塊的通用性.CC2540工作需要兩個時鐘晶振，時鐘32MHz用于無線收發(fā)；32.068KHz為休眠模式提供時鐘.晶振的負載電容C17和C18采用典型值12pF[6].天線電路采用非平衡天線加上一個非平衡變壓器構(gòu)成，參數(shù)由仿真得出.

圖1-4 CC2540無線傳輸模塊原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件是功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵，軟件設(shè)計包含傳感器數(shù)據(jù)的采集、BLE終端節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)以及上位機數(shù)據(jù)實時顯示與數(shù)據(jù)管理等.

2.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件工作流程如圖1-5所示，首先初始化CC2540協(xié)議棧，然后掃描終端節(jié)點，并將掃描到的網(wǎng)絡(luò)信息和協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)信息顯示出來.如協(xié)調(diào)器節(jié)點的物理地址、已建立網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址等.隨后建立連接，建立連接完成之后，程序不斷查看是否有信息到來，如果有來自網(wǎng)絡(luò)的信息，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會根據(jù)發(fā)送來的信息，作出相應(yīng)的處理；如果數(shù)據(jù)正確，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機.

圖1-5 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖

2.2 終端器軟件設(shè)計

終端節(jié)點電路由兩部分組成，一部分是以MCU為核心的底層電路，一部分是以CC2540為核心的無線收發(fā)電路.因此，終端節(jié)點軟件設(shè)計也分為兩部分：其一，終端底層電路軟件首先進行相關(guān)傳感器模塊的初始化工作，完成初始化工作之后，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)正確輸送給終端節(jié)點無線傳輸模塊；其二，終端節(jié)點無線數(shù)據(jù)發(fā)送，軟件首先對CC2540進行相應(yīng)模塊的初始化，初始化完成之后，使能廣播信號，接著進行終端節(jié)點的串口初始化.之后，等待連接，待與協(xié)調(diào)器建立連接后，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收.終端底層電路軟件設(shè)計如圖1-6所示，終端節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送軟件實現(xiàn)流程如圖1-7所示，

圖1-6 終端底層電路軟件流程圖

圖1-7 終端無線發(fā)送軟件流程圖

2.3 上位機軟件設(shè)計

LabVIEW是由美國國家儀器公司研制開發(fā)的編程開發(fā)軟件，與其它計算機語言編程不同的是LabVIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式.在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，子程序被稱作子VI封裝成為一個圖標，整個程序由若干模塊組成，每個模塊用一個或者幾個子VI實現(xiàn)，子VI能直接調(diào)用、復(fù)用[7]；本次設(shè)計通信模塊由子VI Serial Port Init VI、Serial Port Write VI、Serial Port Read VI及Bytes at serial Port VI組成，總程序框圖如圖1-8所示.設(shè)計結(jié)果表明上位機實現(xiàn)以下主要功能：(1)通過RS232串口通信完成與協(xié)調(diào)器節(jié)點的通信；(2)數(shù)據(jù)實時顯示；(3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理.

圖1-8 上位機程序框圖

3 系統(tǒng)測試

實際測試系統(tǒng)由3塊終端器節(jié)點模塊來構(gòu)建一個簡單的網(wǎng)絡(luò)，用串口調(diào)試工具查看組網(wǎng)情況.圖1-9顯示終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點成功建立連接；圖1-10說明無線通信網(wǎng)絡(luò)通信正常；圖1-11顯示出了上、下位機運行結(jié)果，以及當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度與當(dāng)前電流.測試表明本系統(tǒng)運行良好，無線網(wǎng)絡(luò)通信成功.

圖1-9 終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點建立連接

圖1-10 終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸

圖1-11 下位機與上位機的效果圖

結(jié)束語

文中采用射頻芯片CC2540和MCU設(shè)計了相關(guān)電路，實現(xiàn)了工作頻率為2.4GHz的適合BLE協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸，完成了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓δ?同時結(jié)合硬件電路的特點和系統(tǒng)的功能要求，編寫了整個系統(tǒng)的軟件.本系統(tǒng)操作界面簡便、清晰，具有良好的人機操作界面.但在節(jié)點非法侵入、信息破壞的安全問題及構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等后續(xù)研究領(lǐng)域仍存在著很多新的挑戰(zhàn).

〔1〕張立立,徐勇,孫開.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29 (5):140-143.

〔2〕鄭力軍,王偉,尹東輝.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].消費導(dǎo)刊，2012（6）：111.

〔3〕陳旭,方康玲,李曉卉.基于CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南工業(yè)大學(xué)報,2008,22(6): 59-61.

〔4〕寧炳武.Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.23-26.

〔5〕王益祥,牛江平.遠程無線抄表系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表,2011(3):4-7.

〔6〕S.H.Low,F.Paganini and J.C.Doyle.“Internet Congestion Control”.IEEE Control Systems Magazine,vol.22,no.1,pp.28–43,Feb2002.

〔7〕黃松嶺,吳靜.虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

TP27；TP311.1

A

1673-260X（2014）10-0033-03

福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(1106)