基于CC2530的智能家居節(jié)點軟硬件設(shè)計

楊嬌 許志恒

摘要：本系統(tǒng)以TI公司的zigbee協(xié)議棧cc2530芯片為核心，介紹了一種基于cc2530處理器的智能家居節(jié)點的硬件設(shè)計方法，從總體結(jié)構(gòu)上分別闡述了系統(tǒng)的工作原理和各個模塊的電路連接方式，以及各個模塊的電路特點。最后介紹了下一步系統(tǒng)開發(fā)的工作內(nèi)容和目標。下一步利用該平臺實現(xiàn)zigbee的無線組網(wǎng)通過協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點來進行網(wǎng)絡(luò)拓撲的驗證和數(shù)據(jù)傳送有效性的驗證。

關(guān)鍵詞：cc2530;智能家居;zigbee;硬件設(shè)計

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0132-01

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)日趨成熟，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用已經(jīng)在人類社會中的各個方面開始嶄露頭角，為構(gòu)建“智慧地球”發(fā)揮著越來越重要的作用。ZigBee技術(shù)是一種面向低速率連接、超低功耗、可容納海量節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)感知層無線自組網(wǎng)技術(shù)。ZigBee無線設(shè)備工作在免費的ISM頻段（2.4GHz），能夠支持的組網(wǎng)規(guī)模巨大，目前在森林防火、智能家居、食品溯源、軍工國防等領(lǐng)域有著廣泛的應用。本文重點介紹了一種基于美國德州儀器公司物聯(lián)網(wǎng)芯片CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計方法。

1 ZigBee硬件節(jié)點總體設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域經(jīng)常使用到的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它具有通信距離短、實時工作能耗低、通信速率低（更準確的說法是專注于低速率的系統(tǒng)應用）的特點，而智能家居系統(tǒng)一般而言是主要對家庭房間內(nèi)的各類家用電器進行控制和數(shù)據(jù)通信，通信的主要物理數(shù)據(jù)則是一些簡單的開關(guān)電平信號，或者簡單的調(diào)檔信號，這些信號的數(shù)據(jù)量非常小，并沒有太冗長的數(shù)據(jù)載荷，因此基于CC2530的設(shè)計方案比較適合做基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居的硬件節(jié)點。

在zigbee網(wǎng)絡(luò)理論中，單個網(wǎng)絡(luò)可以包含65535個硬件節(jié)點，基于如此海量的硬件設(shè)備節(jié)點從需求上足以滿足智能家居領(lǐng)域的節(jié)點數(shù)量要求，本設(shè)計基于CC2530嵌入式處理器為核心，通過搭載外部傳感器電路模塊構(gòu)成節(jié)點硬件電路，系統(tǒng)主要模塊包含：cc2530處理器模塊、電源供電模塊、溫濕度傳感器模塊、光照傳感器模塊、OLED液晶顯示模塊等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 CC2530電路模塊設(shè)計

CC2530模塊是美國德州儀器（TI）公司開發(fā)的一款基于物聯(lián)網(wǎng)zigbee應用的低功耗嵌入式處理器，兼容zigbee協(xié)議規(guī)范802.15.4，內(nèi)核為8051內(nèi)核，集成，2.4GHz射頻收發(fā)單元，通用IO口，uart串口，AD采樣，定時器等外設(shè)，內(nèi)部存儲資源包括256KB的只讀存儲器單元及8kB的隨機存儲器單元。Cc2530芯片的電路設(shè)計包含有時鐘電路、晶振電路及復位電路，CC2530供電電路部分由一個LC組成的濾波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，供電電壓3.3V由供電模塊給出。復位電路由專用復位芯片BL8509構(gòu)成，時鐘電路主要有一個高速33M的晶體振蕩器加上2個起振電容構(gòu)成，另外還有一個32kHz的低速晶振提供給外部低速工作模塊使用。

3 外圍電路模塊設(shè)計

3.1 溫度傳感器模塊設(shè)計

在智能家居系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要實現(xiàn)對各個終端節(jié)點的無線數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)主要來源于終端節(jié)點的所感知的各類傳感信號，比如室內(nèi)溫度，通過溫度傳感器模塊來檢測，從而實時發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)來自動控制空調(diào)調(diào)節(jié)室溫等。本設(shè)計中就采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器模塊通過三線接口與處理器cc2530相連接，分別是電源5V，GND，和數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)格式為9位二進制數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)包協(xié)議，通過其專門的數(shù)據(jù)格式命令來進行溫度采集，數(shù)據(jù)讀寫等操作。

3.2 OLED液晶模塊設(shè)計

總所周知OLED是一種節(jié)能低功耗的新型液晶顯示技術(shù)，它具有低能耗、可視角度大、色彩艷麗等優(yōu)點，被廣泛應用在嵌入式系統(tǒng)中作為顯示單元使用。本設(shè)計采用了128*64點陣的OLED液晶模塊，OLED液晶模塊與cc2530通過串行總線進行數(shù)據(jù)交互，一般可用IO口進行時序模擬，也可以用IIC總線或者SPI同步串口來進行硬件通信，本系統(tǒng)采用SPI同步串口來實現(xiàn)。作為系統(tǒng)在線狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)發(fā)送信息提示等信息的顯示設(shè)備來使用。

3.3 射頻天線單元

CC2530內(nèi)部集成無線收發(fā)模塊，在其電路外部只需要配備少量的電感電容網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)無線信號的收發(fā)。本設(shè)計采用天線設(shè)計理論中的巴倫匹配電路來構(gòu)建。

4 結(jié)語

基于cc2530的智能家居節(jié)點硬件電路通過搭載外圍傳感器模塊實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度采集、光照等信息的采集，為下一步的協(xié)議棧提供了一個穩(wěn)定可靠的運行平臺，下一步利用該平臺實現(xiàn)zigbee的無線組網(wǎng)通過協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點來進行網(wǎng)絡(luò)拓撲的驗證和數(shù)據(jù)傳送有效性的驗證。

參考文獻

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A design of Underwater Acoustic Transmitter Based on Frequency Equalization

YANG Jiao，XU Zhi-heng

（Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou Jiangsu? 225100）

Abstract：This system takes the ZigBee protocol stack CC2530 chip of TI company as the core， introduces a kind of hardware design method of smart home node based on CC2530 processor， expatiates the working principle of the system， the circuit connection mode of each module， and the circuit characteristics of each module from the overall structure. Finally， the contents and objectives of the next system development are introduced.The next step is to use the platform to implement zigbee wireless networking to verify the network topology and verify the validity of data transmission through the coordinator and terminal nodes.

Key words：cc2530; smart home; zigbee; hardware design