基于CC2530的开口式采集系统与ZigBee网络节点设计

王东军+林晓焕+郑心心

摘要：在介绍开口式电流互感器采集电压电流数据优点的基础上，采用了集射频与微控制器于一身的CC2530F256芯片作为主控制芯片设计出具有无线收发和任务处理功能的ZigBee网络节点。介绍了CC2530芯片性能及特点，重点介绍了节点硬件及软件设计。测试结果表明该网络节点具有较好的稳定性和较高的通信效率，满足设计要求。

关键词：开口式电流互感器；CC2530F256；ZigBee网络节点

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0259-03

随着经济水平的提高，用电量越来越大，如果电力资源分配不合理，就可能导致电网故障，造成大面积停电，其次用户侧电压电流不稳会使设备内的电压随之不稳，如果电压过高，会使电器的电流增大，温度增高，引起绝缘受热而损坏；如果电压过低，会使设备运行不稳定，跳闸，重启动，甚至损坏设备。为了保证电力资源的稳定分配，电力调度中心需要对各类信息采集设备反馈回来的数据信息，如电压，电流，等进行分析，根据分析结果对电力资源进行合理分配。本文依据ZigBee技术以及CC2530芯片设计了一种更为方便的电压电流数据采集方案。

基于Zigbee技术的无线传感器网络在体积小，数据量小，网点多，低功耗的场合尤其适用。因为低难度系数的协议栈不被ZigBee协议授权收取专利费用，导致其技术代价比较小。同时因为的数据输送效率和它本身就处在低频段上运行，导致其耗能非常的低。还有就是，这种技术还可以依靠型状、树状等特殊结构进行运行[1]，导致这种技术可以形成大节点的网络，最高可以为65535个网络点[2]，可以非常恰当地用于区域监控系统，因为此特点能够胜任传输网络结构和容量的所有特征[3]，并且ZigBee终端节点可自动接入ZigBee网络并且ZigBee模块具有自组网功能。

1 系统硬件设计

1.1 开口式采集装置

本设计采用了开口式的电流互感器对电压电流数据进行采集，在实际使用情况中，较传统采集方式更为方便，可实现一个采集装置对多处数据的采集，节约成本且方便携带。南京圳恒通电子有限公司的ZHT-CT38K开启式带电流互感器具有以下特点：全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，输入线圈为内置式，安全可靠，开口式结构便于安装。该电流互感器的使用环境条件为：环境温度为-40℃到+85℃，温度为40℃时相对湿度不大于90%。可以满足用户端电压电流的采集。其原理图如图1所示，根据公式1，测出采样电流，通过一次匝数N1与二次匝数N2的比可求出实际电流[Iin]，采用电阻法测量采样电压原理图如图2，根据公式2可求出采样电压[Uout]，根据公式3可求出实际电压[Uin]

[N1 N2=IoutIin] （1）

[Uout=I2×RL] （2）

[UinUout=N1N2] （3）

1.2 CC2530器件模块

CC2530主要在二点四吉赫波段，满足标准IEEE 802.15.4，可以非常有效地应用到真正的片上成为系统处理方法。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，搭配了增强型8051CPU，8-KB RAM，其系统内可编程闪存。CC2530具有多种运行模式，适合本系统的低功耗的要求。本设计采用了CC2530F256，具有256KB的闪存。CC2530芯片结构如图3所示。其大概的特征包含以下几点：

1） 主要可以进行硬件调试，其芯片空间内部能复合扩大增强类别的8051内核处理器，包含八K以及二百五十六K的数据和程序存储器；

2） 芯片能够产生的供电范围是二伏特到三点六伏特之间，其中包含如下三种模式，分别为式唤醒模式0.2uA，失眠模式1uA，中断模式0.4uA；

3） MAC定时器同样集成在了芯片内部；具有五通道DMA以及一个十六位和两个八位的定时器；同时还存在三十二千赫的睡眠定时器； 8通道12位AD转换器；看门狗等设计。

1.3 网络节点硬件设计

CC2530 F256处在网络节点硬件平台设计时主要包含实现三种功能：采集数据必须依靠A/D口把控的开放式电流互感器模块；传输和发送数据需要無线模块的功能；主机依靠I/O口。I/O口与微处理器连接之后主要用在传感器方面，以方便采集数据，然后凭借RS232连接头去控制PC机和其他各线路的网络点[4]。如下图4所示就是外围硬件装置的电路图。根据CC2530内含很多特殊作用的功能模板块，所以导致这个外围硬件装置电路图的外围电路表现地比较清晰明了。无巴伦阻抗搭配电路被很好地应用到了此无线模块外围电路的设计制作之中，其中该设备的天线就是利用了天线，这种天线的特征是五十欧鞭状的负极性的，主时钟晶振采用32MHz无源晶振以及32.768MHz时钟晶振。同时，在原理图中可以看出硬件设计图中装上了2个状态指示灯，该灯的电阻为二百二十欧姆，该灯装在微处理器芯片内部，主要设置在P10和P11口，装该灯的目的是便于根据指示灯观察设备入网和退网状态的状态变化。

2 Zigbee网络节点软件设计

在ZigBee网络节点软件设计方面，本设计主要包括系统初始化，协调器节点网络设计，终端节点网络设计。

2.1 系统初始化

Zigbee网络节点应用初始化流程如图5所示，应用程序底层运行的是MSSTATE_LRWPAN协议栈[5]。在系统初始化阶段，第一点就是初始化应用程序，包含其硬件和协议栈方面的初始化。初始化过程中主要涉及硬件、IO口和指示灯的初始化；其中协议栈的初始化内容是包含其中的每个层结构的初始状态进行重新设立。同时在系统初始化阶段需要对中断设置初始化程序，要求在全局就进行中断处理。然后进行端点注册，这个目的为的是方便通知PC端应用程序重新设置内部节点定义，初始化端点信息[6]。PC捆绑的形态在初始化后变为空置形态，也就是对串口状态监测和串口命令进行充分诠释和分解[7-8]。然后把程序形态初始化变换为入网形态。全部初始化处理完后，这个系统意味着变成了一个无限循环的应用程序在不断进行。endprint

2.2 协调器软件设计

协调器在经过初始化之后，就开始去扫描信道以及创建自己的网络。当协调器接收各节点的信息的时候，当收到网络节点发送的信息时。节点首先是存储信息，主要是将网络地址粗存在地址表格中；在设备收到控制端网络节点的网络传输要求的时候，设备就会把事先储备好的网络表格内容信息输送到网络节点的各端。协调器软件设计流程图如图6所示。

在用户应用程序中，协调器节点地址始终为0，所有RFD节点均周期性地向协调器节点发送数据包[9]。集群中的树网络，因为RFD节点及其秩序的短地址分配和各自的路径深度有关，所以RFD节点之间不能进行进行传输，故而需要利用非直接方式传输信号的模式。在利用此模式时，网络中的RFD节点之间无需了解间接消息去往的地址，只负责给协调器就行，然后协调器节点在进行工作，将利用查询捆绑表把收到的消息转送到最终目标地址[10]。

需要注意的是，因为缺少RFD节点的父节点电源供电，也或者是父节点直接关联没有产生的原因，RFD节点与其父节点之间的链路可能会发生中断[11]。此情况下RFD节点估计可以发现到离线的情况并将其上线，这个时候就必须依靠应用程序，利用 ping父节点去发现中断情况，通然后将重新连接网络来恢复通信链路 [12]。

2.3 终端节点软件设计

终端节点软件流程图如图7所示，软件设备进行了接电之后，开始运行扫描信道，再选择恰当的网络进行介入操作，此装备就能够把信息传输给协调器，主要是把本地的网络短地址、长地址和设备类型、状态等信息打包输送出去。传输过程中经过各个节点，然后各节点把信息传递到终端，如此周而复始，终端设备同时也各节点请求数据传输，以便查询数据接受是否到位。

3 系统测试

在实际测量中，让硬件平台连续工作1小时，其间进行无线通信，硬件平台的功能符合要求。通过逐渐加大两个硬件平台的距离进行数据传输，测量得系统的有效传输距离为125米，在有效距离内，系统数据传输稳定，符合设计要求。此系统功耗表现为不同，主要因模式而不同，接受、发送、低功耗三种模式下的功耗分别为23毫安、28毫安以及0.4微安。

4 结束语

本文介绍了开口式电流互感器，CC2530模块以及Zigbee网络节点的设计，给出了具体的硬件与软件设计方案，采用开口式电流互感器可以更为方便的测量电流电压数据，Zigbee组网方案具有较大的灵活性。从测试结果可以看出该系统具有低功耗以及较远的通信距离，可使用与对小区用户端电压电流数据的测量。

参考文献：

[1] Edgar H，Callawy，Callaway E H.Wireless sensor networks：Arthitectures and Protocol [M].New york；A uerbach Publications.2003：260-300

[2] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[3] 王盛慧，邓志东，裴忠民.无线传感器网络室内空气污染物节点的硬件设计与实现[J].中南大学学报：自然科学版，2007（8）.

[4] Chipcon.The Data Sheet of CC2430 [EB/OL].http：//www.chipcon.com.

[5] REESE R.A ZigbeeTM-subset/IEEE 802.15.4TM multi-platform Protocol Stack.In：Electrical/Computer Engr MSU，editor.2006.

[7] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌，等.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[8] 沈大伟，李长征，贾中宁.基于ZigBee技术的无线传感器网络设计研究[J].江苏技术师范学院学报，2007.8.

[9] 李晓维，徐勇军，任丰原.无线传感器技术 [M].北京：北京理工大学出版社，2007.8：147-156.

[10] Audun Andersen.2.4GHz Inverted F Antenna Chipcon Products from Texas Instruments Design Note DN00007[Z/OL].

[11] 李文仲，段朝玉.ZigBee2006無线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[12] 黄智伟.无线发射与接受电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.endprint