基于CC2530的无线传感器节点的设计及性能分析

李忍忍，张正华，吕东方

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225000)

基于CC2530的无线传感器节点的设计及性能分析

李忍忍，张正华，吕东方

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225000)

针对人力成本较高的现状和传统的有线监测系统布线繁杂、监测灵活性差及以往无线传感器节点能耗较高等问题，介绍了一种新型的无线传感器节点的结构和工作性能。综合利用太阳能供电技术、传感技术和无线通信技术，设计了一种依靠太阳能自主供电的无线传感器节点，有效解决了传感节点能耗的问题。经测试，人机交互操作简单，节点可靠性高，可以满足环境参数采集和监测工作的要求。

太阳能；CC2530；无线传感器节点；智慧农业

0 引言

从传统农业到现代农业转变的过程中，农业信息化的发展大致经历了电脑农业、数字农业、精准农业和智慧农业4个过程[1]。当前，人力资源成本愈发昂贵，智慧农业已经成为现代农业发展的必然趋势，而使用无线传感器节点构建的网络，则是智慧农业获取信息的主要途径[2]。在此背景下，本文意在设计一种新型的无线传感器节点，并利用拉格朗日插值算法标定参数，最后通过实验测试它的工作性能。

当前，已经有许多的专家和学者投入了智慧农业的研究中。现在，将无线传感器网络技术与智慧农业监测相结合已经成为现实[3]。在此基础上，本文将设计一种依靠太阳能自主供电的无线传感器节点。目前，如何降低和平衡无线传感器节点的能耗已经成为一个研究热点，本文将通过实验，判断依靠太阳能供电的节点是否能够满足监测要求从而正常工作。

1 系统方案设计

无线传感器节点是监测系统最基本的组成单元，用于实时监测作物生长环境的变化[4]，总体结构设计如图1所示。

图1 传感器节点结构

本文选用CC2530F256作为核心的单片机，为了保证每个传感器节点具有基本的信息处理和通信能力，传感器节点包括4个模块：电源模块、处理器模块、传感器模块和信号放大模块[5]。

2 硬件设计

设计中CC2530无线单片机作为整个节点的核心板，直接决定了节点的工作性能的优劣。它工作在2.4 GHz频段，具有出色的扩展性能和抗干扰能力[6]。为了能够可靠地与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据，CC2530需要完成传感器数据的A/D转换、网络信号的传输以及与上位机之间的通信等功能[7]。

2.1 电源模块设计

电源模块包括电池和太阳能电池，其中，太阳能板需要为可充电式锂电池供电。在太阳能电池板和限流电路之间有一个直流-直流变换的过程,目的是获取光伏电池的最大功率点，使节点处于供电的最优状态[8]。锂电池除了可以为传感器提供工作电压，还可以通过稳压电路为CC2530提供一个低压电源。CC2530可在2～3.6 V电压范围内工作，选用一个3.3 V的稳压电路[9]。此设计利用充电模块保证了节点的连续工作，相对延长节点的使用寿命，最终确保稳定地采集数据。

2.2 处理器模块

处理器模块涵盖了A/D转换器、射频收发器和存储器，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据[10]。CC2530自带有8路输入的12位ADC转换器，而且它的功耗较低，尤其是休眠模式下，工作电流仅需2 μA。此外，CC2530芯片在CC2430 等芯片的基础上增大了存储容量，信号和数据的传输能力有了较大提升，从而在降低系统成本的同时提高了网络的稳定性[11]。射频收发电路的功能是对传感器节点的数据进行无线发送和接收。CC2530单片机芯片的RF-P与RF-N管脚是一对差分输入输出信号，本文基于对实际应用中通信距离、系统功耗等指标的综合考虑，使用不平衡单极子天线，并使用巴伦匹配电路来进行射频收发信号的匹配[12]。

使用2个晶振:高频的32 MHzt和低频的32.768 kHz。高频晶振在射频收发时工作，低频晶振是为了减少功耗，在芯片睡眠时关闭内部某些电路，使它们以极低的频率工作达到低功耗的目的[13]。

2.3 传感器模块

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。由于无线传感网中的传感器类型比较多，本文只介绍其中比较常用的。下面选取光敏传感器、温湿度传感器和可燃气体传感器做着重介绍，如表1所示。

表1 传感器主要性能指标

2.4 信号放大电路

虽然传感器的输出电压在A/D转换的范围内，但为了提高转换精度，需要对信号进行放大。放大电路的使用是本文设计的一个创新之处。因为OP-07具有输入偏置电流低、开环增益高的特性，适合用于放大传感器的微弱信号[14]。所以信号放大模块主要包括OP-07运算放大器和ICL7660极性反转电源转换器，电路采用反相输入，其放大倍数约为3倍。极性反转电路如图2所示，信号放大电路如图3所示。

图2 极性反转电路

图3 信号放大电路

传感器输出的电压Vin经过信号放大电路处理后得到Vo并与CC2530的A/D转换口P0_4 相连。

3 传感器节点软件设计

传感器网络中的各个节点需要进行大量的数据发送、接收及处理工作。底层软件设计采用开源Zigbee2007协议栈Z-Stack-CC2530，该协议栈提供了可靠、安全、高效的ZigBee协议实现方法。

3.1 发送节点的软件设计

发送节点的主程序流程如图4所示。

图4 发送节点的主程序流程

当传感器节点收到发送数据的命令，或者到达预先设定的发送数据间隔时间后，就向邻居汇聚节点发送连接请求。收到连接请求后，汇聚节点将根据自身情况决定是同意连接还是向邻居汇聚节点转发这个连接请求。最终，传感器节点会收到一个汇聚节点的回复消息，包括汇聚节点的地址和路由情况等。连接成功后，传感器节点即进入发送数据的状态，CC2530调用指令ISTXONCCA将经过A/D转换后的数据信息，通过ZigBee无线收发器射频前端发送出去[15]。发送结束后，传感器节点及时进入休眠状态以减少不必要的能量消耗。休眠状态下，传感器节点还会继续监测，等待下一次的发送命令。

3.2 接收节点的软件设计

当传感器节点收到连接请求后，节点会判断是否接收数据。如果节点在网络的最优路径上，就建立连接准备接收数据。连接成功后，接收节点通过指令ISRXON开启射频接收器，等待接收数据直到正确收到数据为止，接收节点的主程序流程如图5所示。

图5 接收节点的主程序流程

3.3 PC端软件设计

由于无线传感网络的节点数量巨大，部署这么多的节点实验难度太大，成本很高，所以本文缩减了传感器节点的数量，旨在尽可能真实地模拟无线传感网络的运行情况。本文借助ekoview 虚拟机系统进行模拟，该系统通过虚拟机可以直接安装使用，操作起来简单方便。用户通过上载部署了传感器的jpeg格式的地图文件，可直观地看出整个网络的拓扑结构和传感器节点的粗略位置，如图6所示。

图6 部署地区地图

新加入无线传感器网络的节点将出现在左侧导航面板，点击并拖动节点即可将其置于地图上。基站(下载板)将所有传感器节点采集到的数据汇聚，通过USB串口发送给上位机软件[16]，实时数据采集情况如图7所示。

图7 实时数据采集

4 实验原理及结果分析

4.1 传感器参数标定的方法

传感器参数的标定主要利用二维的拉格朗日插值算法，拉格朗日插值算法如下：

① 进行4组实验，每组重复进行5次，每组取5个数据的平均值，将得到4组离散数据(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。

② 设函数为：f(x)=b0(x)*y0+b1(x)*y1+b2(x)*y2+b3(x)*y3，(其中b0(x)，b1(x)，b2(x)，b3(x)都是x的3次多项式)。

③ 当x等于x0时，令b0(x0)=1，b1(x0)=b2(x0)=b3(x0)=0，此时f(x)=y0。

④ 设b0(x)=a0*(x-x1)*(x-x2)*(x-x3)，将b0(x0)=1带入上式得：

⑤ 同理，重复步骤③和步骤④，可求得b1(x)，b2(x)，b3(x)。

这里以温湿度传感器为代表，介绍参数的标定过程。在密闭空间内，多次改变环境的温湿度，并与传感器返回的电压值一一对应。温度传感器的测量数据如表2所示，湿度传感器的测量数据如表3所示。

表2 温度传感器测量数据

表3 湿度传感器测量数据

以x表示返回电压值，y1和y2分别表示温度和湿度，可以建立如下关系式：

(1)

(2)

综上所述，传感器输出的电压值随温湿度的增加而增加，但不是严格的线性关系。

4.2 太阳能电池性能测试

由于本系统中节点借助太阳能电池供电，为了直观地反应电池和太阳能电池之间的电压关系，本文将2组数据取出手动绘制折线图。随机选取一个传感器(这里选取光照传感器)，每隔5 min读取一次数据。图8绘制了传感器在光照充足的条件下(这里选取上午的9:00-10:00)，电池电压和太阳能电池电压的变化情况。图9是将节点拿至室内后的变化情况，推迟半小时后开始记录数据(选取10:30-11:30)。

图8 光照充足的条件下，节点的电压测试

图9 室内情况下，节点的电压测试

由图8和图9的电压测试结果可以看出：

① 当光照充足的条件下，电池电压稳定在3.98 V，太阳能电池的电压也相对稳定在4.2 V，电量充足，足以满足传感器节点的供电需求；

② 当光照不足的情况下，电池电压虽然较光照充足时波动变大了，但还是稳定在3.9 V以上，传感器的功能不会受到影响；

③ 光照不足时，太阳能电池的电压值降幅很大，但在相当长的一段时间内仍可以稳定在3 V左右。

4.3 结论

综上所述，由各传感器的测量范围和误差可知，传感器能够对各环境参数进行采集，满足智慧农业系统一般的监测需求。由节点电压的测试情况可知，依靠太阳能供电的传感器节点能够长期可靠地采集数据。

5 结束语

本文在将物联网技术应用于智慧农业领域的大背景下，以CC2530模块为硬件基础，设计了一种新型的无线传感器节点。阐述了节点的软硬件设计原理、太阳能供电的流程、传感器的标定方法及结果等。经测试，本文设计的传感器节点供电系统电压值稳定，可以应用于无线传感器网络。

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李忍忍 男,(1993—),硕士研究生。主要研究方向：无线传感器网络、实时信号处理。

张正华 男,(1965—),副教授，硕士生导师。主要研究方向：视频图像处理及编解码、实时信号处理等。

Design of Wireless Sensor Nodes Based on CC2530 and Performance Analysis

LI Ren-ren,ZHANG Zheng-hua,LV Dong-fang

(SchoolofInformationEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225000,China)

Traditional wired monitoring system features high labor cost,complex distribution,poor monitoring flexibility,and high energy consumption of wireless sensor nodes.This paper introduces a new type of wireless sensor nodes structure.With the comprehensive utilization of solar energy power supply technology,sensor technology and wireless communication technology,we design a wireless sensor node.It is supplied by solar power to solve the problem of the energy consumption of sensor nodes effectively.Test results show that it provides simple operation and high reliability.And it can satisfy the requirement of environmental parameter acquisition and monitoring work.

solar energy；CC2530；wireless sensor nodes；wisdom agriculture

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.17

李忍忍，张正华，吕东方.基于CC2530的无线传感器节点的设计及性能分析[J].无线电工程,2017,47(4):73-77.

2017-01-08

江苏省产学研联合创新资金(前瞻性联合研究)资助项目(BY2013063-10)；扬州市2012年产学研合作专项(2012038-8)。

TN919

A

1003-3106(2017)04-0073-05