基于ARM的无线温度传感器网络设计

闫明明， 郭 涛， 鲍爱达

(中北大学电子测试技术国家重点实验室;仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

从传统的工农业生产到航天科技，温度的准确测量与传输都有至关重要的作用［1］。传统的有线测试与传输方法存在布线复杂、造价高、数据不准确等问题。而且有的测试环境恶劣，测试人员难以靠近，远距离信号传输会出现安装麻烦、线路复杂、受干扰较多等缺点，会造成信号噪声过大、信号失真，甚至会出现采集到的信号无效的情况［2］。本文设计的无线温度传感器网络解决了以上问题，可以同时对不同区域进行温度监测并进行远距离低损耗的传输。

1 硬件框架结构

1.1 总体硬件方案框架

该无线传感器网络如图1所示，包含3个节点和一个协调器，协调器具有建立Zigbee无线网络、数据显示、温度测量和存储数据的功能，节点具有温度测量和加入Zigbee网络和协调器通信的功能［3］。

1.2 协调器硬件框架

协调器使用5 V电源供电，总体分为ARM和RF两个部分，RF部分负责接收其他节点温度数据和采集本芯片温度数据，然后将其通过SPI传送给ARM并判断是否需要报警，主芯片采用TI公司的CC2530无线SOC［4］。ARM部分负责接收温度数据显示到LCD之上，并保存进 SD卡，主芯片采用 NXP公司的LPC1114［5］。协调器硬件框架图如图2所示。

图1 总体硬件方案框架图

图2 协调器硬件框架图

1.3 节点硬件框架

在图3中，节点使用两节1.5 V干电池供电，RF主芯片也采用CC2530，节点的主要功能即采集周围环境温度，并搜索网络，将数据传送给网络的协调器，并根据事先设定的阈值判断是否报警。

图3 传感器节点硬件框架图

2 系统硬件设计

2.1 电源供给电路

在图4所示的电路中，协调器 CC2530以及LPC1114均可在3.3 V电源供给下工作，所以系统只需要3.3 V供电即可。下表为主要器件耗电电流。

通过表1可知电源模块不需要提供＞200 mA的电流输出。系统通过MicroUSB输入5 V电源，通过LDO AMS1117-3.3取得3.3 V电源，输入输出压差为1.7 V，在此工作状态下AMS1117可提供1.125 A的电流，完全有能力为整个系统供电［6］。供电模块前后级均使用钽电容配合贴片陶瓷电容进行滤波，使得电路板尺寸更小，电源抗噪声能力增加，系统寿命更持久［7］。

图4 电源模块原理图

表1 主要器件最大工作电流

2.2 时钟电路

整个无线传感器网络系统使用3个时钟，如图5所示，12 MHz的时钟提供给LPC1114，32 MHz时钟提供给射频SOC CC2530，32.768 kHz时钟为CC2530提供更加精确的定时器精度［8］。

图5 时钟产生电路图

所有的时钟产生电路都很类似，差别在于石英晶体的振荡频率和负载电容值不同。查器件手册可得各不同石英晶体振荡器的负载电容值。

式中:CL为石英晶体振荡器的负载电容，可以查手册得到;C为石英晶体振荡器对地的2个电容值;Cparasitic为PCB布线寄生电容和IC时钟引脚内部电容值之和。

2.3 报警电路

在图6中采用有源电磁式蜂鸣器，只要通以25 mA直流电流即可发出声响。UCC=3.3 V，MOS管完得到负载电容值之后可根据以下公式计算晶振对地的电容值。全导通时DS压降几乎为0，DS电阻也为毫欧姆级，皆可忽略不计，于是计算得到:

图6 蜂鸣器报警电路

2.4 射频天线电路

由于CC2530天线输出是特征阻抗为(69+j29)Ω的平衡天线信号，而本系统采用的天线为50 Ω 7Dbi的全向非平衡天线，故图7中L1、L2、C5、C7构成巴伦，进行射频信号的平衡到非平衡转换的同时进行阻抗转换。电路中C4、C8的作用是为了抵消CC2530输出的感性分量和PCB板寄生电感，C6将巴伦和天线进行耦合［9］。

图7 射频天线电路

2.5 复位电路

由于LPC1114为低电平复位，所图8中复位引脚通过R6上拉保持高电平，当微动开关按下时，复位引脚被强行拉底，从而触发LPC1114的复位中断进行复位。C12的作用是当S1提供最小低电平保持时间以保证100%复位，因为如果低电平持续时间过短时可能会复位失败［10］。

图8 复位电路

时间常数UCC=3.3 V，假设0 ～1.2 V 为低电平，即UC=1.2 V，根据公式:

可得t=22 ns≥20 ns，满足LPC1114复位时要求低电平脉冲宽度大于20 ns的要求［11］。

3 系统软件设计

3.1 协调器软件设计

在图9中，CC2530上电后随即初始化UART和SPI接口，设定波特率、端口信息、主从设置。随后将片内温度传感器和内部ADC连接，并初始化ADC和温度传感器［12］。通过调用basicRfInit()函数根据事先设定好的PANID、信道、本地地址对射频部分硬件进行初始化，完毕后开启数据接收，将通过射频接收到的温度数据和本地温度数据通过SPI接口发送给LPC1114。

图9 协调器软件流程图

LPC1114上电后，调用函数init_timer()初始化定时计数器0，调用enable_timer32()启用定时计数器0。然后初始化GPIO口，对GPIO口进行操作初始化LCD液晶显示器，LCD初始化完毕后立刻进入到SPI初始化阶段中，随后进入无限的更新温度到LCD的循环当中［13］。当CC2530通过SPI发送数据到LPC1114后，LPC1114即会产生SPI0中断请求，随即进入中断服务函数，将CC2530发送的数据解码成温度数据并保存在变量 temp1、temp2、temp3 中。

3.2 节点软件设计

在图10中CC2530上电后随即初始化UART和SPI接口，设定波特率、端口信息、主从设置。随后将片内温度传感器和内部ADC连接，并初始化ADC和温度传感器。通过调用basicRfInit()函数根据事先设定好的PANID、信道、本地地址对射频部分硬件进行初始化，完毕后将温度数据通过射频发送给协调器。

图10 传感器节点软件流程图

4 调试及结果

4.1 传输距离测试

为了验证无线传感器网络的传输能力，分别在房间内与室外进行距离测试。房间内以墙壁作为间隔，每隔一扇墙壁放置一个传感器节点;室外选择一条较笔直的地铁轨，将其中一个节点置于铁轨上，手持协调器，一边走一边将协调器复位，测试结果见下表。

表2 数据出错率

当相隔3个房间以上的时候，数据出错率快速上升，这是因为墙壁吸收了无线电信号所致［14］。室外距离采用手持GPS测得，距离测试图如11所示。

图11 距离测试图

4.2 精度测试

为了降低造价，温度传感器采用了CC2530芯片内部的内置温度传感器，所以精度相对于标准温传感器比较低，现在对温度传感器进行精度测试［15］。

表3为精度测试结果。

表3 精度测试结果

温度传感器节点的测试精度达到了1.39%，可以看出CC2530的内置温度传感器还是可以比较精确的完成待测区域的温度测量任务的。

4.3 组网测试

本测试主要对无线温度传感器网络进行自组网测试［16］，将传感器节点1、2、3 分别置于不同温度的待测区域，将协调器复位，三个区域的温度均在协调器上正常显示，实验结果见图12所示。

图12 自组网测试图

5 结语

本文设计的无线温度传感器网络可以对多处远距离区域进行温度测试，测试结果良好。但是因为温度传感器采用CC2530芯片的内置温度传感器，精度不是很好，在精度要求特别高的场合，本系统可以采用高精度的温度传感器进行温度测量，并将测量数据进行无线传输。在不久的将来，无线传感器网络必将慢慢取代传统的测试方法成为测试领域的主流。

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