基于CC2430的低功耗智能家居数据采集系统

郑 毅 ， 刘润华

（东营市技师学院 山东 东营 257091；2.中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 青岛 266555）

随着科技发展和生活水平的提高，人们对家居环境的需求也日益提升，智能家居系统便应运而生。智能家居系统作为新兴的产业，在国内外得到了飞速的发展。智能家居系统的通信一般有以下解决方案[1]：1）采用电力载波技术，可充分利用住宅内已有的电力线和无处不在的电源插座，无需重新布线，经济方便[2]，但由于现阶段技术不成熟实施有很大困难，且由于载波频率过低传输速度慢；2）采用家庭总线技术，可利用新建住宅中提前铺设线路，为用户提供一套系统完整的、功能强大的、性能稳定的具有一定档次的智能家居系统，但对已建成住宅改造来说工程量巨大，实用性差；3）采用各种无线技术，适用于已完成装修的住宅，其独有的可移动性完全摆脱了有线方式的束缚，且安装简单、配置灵活，便于以即插即用的家电化方式来解决安装、升级、维护的难题。

这里采用构建基于ZigBee协议的无线通信网络实现智能家居系统的数据采集，具有组网方便、低功耗、低成本、高可靠性、高网络容量的优点[3]。本系统采用CC2430作为主控核心，所采集到的数据通过PC上位机进行图形化界面显示和数据的入库存储，可以方便地实现家居数据的实时显示和查询，方便为后续调控提供数据支持。

1 系统的总体设计

ZigBee网络的拓扑结构分为3种：星状结构、树状结构和网状结构，网络中的节点按功能可分为终端节点（EP）、路由器节点（RP）和协调器节点（CP）3种[4]。其网络拓扑结构如图1所示。

图1 ZigBee网络拓扑结构图Fig.1 ZigBee network topology structure

本系统采用星状结构进行组网，包含一个协调器节点和若干个由无线传感器构成的终端节点，其中协调器节点与上位机连接。网络中协调器负责与每个终端节点通信，各个终端节点之间无通信，通信遵循ZigBee协议[5]。

2 系统硬件设计

本系统硬件结构分为两级：无线传感器和协调器节点。

2.1 无线传感器

无线传感器的功能是采集室内的各项参数，并通过基于ZigBee协议的无线通信网络将数据传输的PC上位机。需要根据所采集参数的不同选择合适的传感器，根据所选择传感器确定调理电路和供电电路。无线传感器结构图如图2所示。

图2 无线传感器原理框图Fig.2 Wireless sensor principle diagram

传感器的选择需要根据所采集的参数的不同来进行，一般来说，家居环境中需要采集的参数有以下几种：温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等[6]。

根据小体积、低功耗、安装方便等原则选取无线传感器所使用的传感器，选用SHT10温湿一体化传感器测量家居环境中的温度和湿度，其供电电压为2.4～5.5 V，可直接以无线传感器的电源供电；测湿精度为±4.5%，室温下温度测量精度为±0.5℃，满足智能家居数据采集的精度要求；选用英国GSS公司的C20传感器测量家居环境中的二氧化碳浓度，其输出量为RS232串口数字输出，感应时间小于4 s，供电电压5 V和3.3 V可选，功耗小于100 mW，符合低功耗要求；选用MG41-21光敏电阻测量家居环境中的光照强度，其暗电阻大于等于0.1 MΩ，亮电阻小于等于1 kΩ，满足测量精度要求。

CC2430外部有20个通用I/O口，其中P0口8个管脚可以直接连接外部模拟量输入，内部有14位高速ADC，满足各类传感器的输入和A/D转换的需求。CC2430与各类传感器的连接电路如图3和图4所示。

图3 数字传感器与CC2430连接示意图Fig.3 Digital sensors and CC2430 connection diagram

在温湿一体化传感器SHT10与CC2430连接时，双方均为3 V供电，数据线需加装上拉电阻以保证数据的正常传输。二氧化碳传感器C20采用5 V电源供电和串口通信，为达到与CC2430的匹配需在数据线路中加装MAX3232以进行电平的匹配，MAX3232供电范围为3～5.5 V，可选用3 V和5 V任意电源供电。由于二氧化碳传感器需要预热时间，所以数据采集时需要留出5 s的余量，待稳定后方可进行数据读取。

图4 光敏电阻与CC2430连接示意图Fig.4 Photoconductive resistance and CC2430 connection diagram

光敏电阻根据不同光照强度，电阻值在1～100 kΩ宽范围内波动，在电路中增加100 kΩ的分压电阻，在不同光照条件下采集MG41-21的两端电压，根据电压值的不同即可采集到不同的光照强度。在电路中加入LM358运算放大器，接成电压跟随模式，可方便的完成光照强度的采集。

无线传感器采用电池供电，为保证电池的使用寿命，需要对整个系统进行全面低功耗设计，其中包括休眠模式设计和电源模式设计。

CC2430外接两个晶振：32 MHz晶振与 32.768 kHz晶振。32 MHz晶振在正常的工作条件下使用，保证数据采集和处理的速度。32.768 kHz晶振用于休眠模式，在此模式下降频休眠可进入低功耗模式。CC2430具有4种电源模式，可根据不同需求选择以降低功耗。

在电源系统设计中，采用输出可关断的MAX619芯片来进行电源的控制，在休眠模式下切断传感器和调理电路的电源，保证系统整体低功耗。MAX619可通过配置接口接收CC2430的关断指令和恢复指令，在系统唤醒后可迅速恢复传感器供电，快速进入数据采集状态。由于在日常家居生活中不需要实时监测二氧化碳的浓度，且二氧化碳传感器所消耗功耗较大，故在软件设计中使用MAX619控制C20传感器的电源供应，在得到指令后方开启。

2.2 调节器节点

路由节点的功能是连接上位机系统与ZigBee网络硬件系统的接口，其构造比较简单，仅需一片CC2430外部引出天线及RS232串口，采用5 V电源适配器输出供电，不需要进行低功耗设计。由于CC2430的电平与上位机串口电平不匹配，需在中间加入MAX3232进行电平匹配。路由节点的软件设计仅需控制ZigBee自组织网络的建立和如实转发无线采集到的数据和上位机控制命令。

3 系统软件设计

3.1 无线传感器软件设计

无线传感器在上电后进行初始化操作，并且向路由节点申请入网，根据ZigBee协议的自组织网络特性完成入网注册，分配地址等操作。以上操作结束后即进入正常工作阶段（C20传感器工作状态下），正常工作阶段由休眠唤醒后打开传感器和调理电路电源，进行传感器预热。预热结束后开始进行数据采集，将采集到的数据进行初步处理后发送给ZigBee网络的调节器节点，调节器节点回复接收成功后关闭传感器与调理电路电源，系统再次进入休眠阶段。数据采集流程图如图5所示。

图5 无线传感器数据采集流程Fig.5 Flow chart of wireless sensor data acquisition

3.2 上位机软件设计

上位机系统采用个人计算机 （Personal Computer）来实现，采用Windows Server 2003操作系统，方便数据库的连接和远程访问。数据接收和图形化界面显示功能采用Borland公司的Delphi2005开发环境。Delphi同时兼备了VC功能强大和VB简单易学的特点，采用Object Pascal语言，具有高稳定性的特点，适合工业控制领域内的应用，同样适合智能家居系统的程序开发。数据库系统选用SQL Server 2005，此数据库系统稳定性好，连接方式多样，可以存储242字节级别的数据，且使用SQL语言可以完成所有的操作，与Delphi2005兼容性好，可将SQL语言嵌入其中。

上位机系统接收到RS232串口所传输的数据之后，对数据格式进行检验，检验完毕之后对其进行入库操作。在Delphi环境下采用ADO连接SQL Server数据库，将数据存储数据库中。同时在iplot控件下绘制数据的实时波形图。采用DBGrid等控件实现数据的查询操作，并编写Excel转换程序将查询结果生成Excel报表。

4 系统性能测试

系统性能测试分为采集精度测试、传输性能测试和功耗测试3个方面。

4.1 采集精度测试

采集精度测试主要针对温度和湿度进行测试，参照为anymetre公司的JR900A温湿度计。测试结果如表1所示。

表1 采集精度测试Tab.1 Acquisition accuracy test

由表1可以看出，无线传感器的温度采集误差均在0.2%以内，湿度采集误差均在0.6%以内，满足智能家居系统数据采集的精度要求且误差在可接受范围内。

4.2 传输性能测试

传输性能测试主要测试无线传感器与协调器的通信可靠性，在智能家居系统中往往有多间房屋，通信过程中由于墙壁的阻隔不能将数据实时发送。设定无线传感器数据采集周期为1 min，测试时长为12 H（720 min），采用两节 5号电池供电，测试对象为5只无线传感器，测试结果如表2所示。

表2 传输性能测试Tab.2 Transm ission performance test

由表2可以看出，所有的无线传感器与协调器的通信成功率均为100%，验证了Zigbee协议通信的可靠性。

4.3 功耗测试

无线传感器采用两节5号电池供电，供电电压3 V。设定1 min采集一次数据，C20传感器长关状态下数据采集期间工作50 ms，工作电流约为30 mA，休眠期间MAX619关断输出，电流在1 μA左右。采用2节容量为200 mAh的5号电池理论工作时间在13个月左右，经测量，无线传感器在C20关闭的情况下正常工作时间均超过6个月，满足低功耗要求。

5 结束语

本系统采用了封装有ZigBee协议和8051单片机内核的CC2430作为主控芯片实现无线传感器的设计，通过对家居环境中温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度数据进行采集，并通过射频通信方式传输至上位机中。在上位机中实现数据的实时显示和入库存储，能够方便的观测和查询家居环境的数据，为后续智能家居环境的调控奠定了坚实的基础。

基于CC2430的低功耗智能家居数据采集系统，可方便的实现家居数据的实时采集、无线传输、实时监控等功能，具有低功耗、自动组网、无需人工干预、使用寿命长的优点，可广泛应用于家居的智能化改造之中。

[1]南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程，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，黄天戍.基于电力线载波通信技术的智能家居系统[J].电力自动化设备，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]刘雅举，蔡振江，张莉，等.基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].微计算机信息，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，马维华.基于CC2430的无线传感器网络节点设计[J].电子技术应用，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]郭占龙.基于单片机的智能家居控制系统的设计[J].微计算机信息，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]关博.基于CC2431芯片的电子巡检系统的设计[J].东北电力大学学报：自然科学版，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.