面向应用型高校的无线传感网课程实验平台的设计

李双 潘毅 尤越 秦宏

摘要：针对应用型高校无线传感网实践教学和创新训练的需求，设计了一套基于CC2530的实验平台和教学方案，详细的阐述了ZigBee无线传感网实验平台的硬件结构，软件开发方法和教学方案。该实验平台基于8051核，采用模块化的硬件结构，案例化的教学方案和项目设计，可使学生快速上手，较快的掌握ZigBee无线传感网的技术要点，有效的提高学生对无线传感网的开发能力。

关键词：应用型高校；ZigBee；无线传感网；CC2530；实验平台

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）17-0142-02

Abstract：In view of the practice teaching in application-oriented universities and the innovation training requirements， a set of wireless sensor networks based on CC2530 experimental platform and teaching scheme is designed.We detailedly elaborate the ZigBee wireless sensor network experiment platform of hardware structure， software development method and the teaching scheme. Based on 8051 core， the experimental platform adopts the modular hardware structure. the case study of teaching plan and project design， which can make students to quickly grasp the technical points of ZigBee wireless sensor network and effectively improve students' development ability of wireless sensor network.

Key words：Application-oriented Universities； ZigBee； Wireless Sensor Networks； CC2530； Experimental platform

近年来，随着MEMS技术、无线通信和传感器技术的不断发展，推动了无线传感网的诞生和发展。无线传感网涉及众多IT技术，成为目前众多研究人员关注的热点之一。我国也在2000年左右启动了传感网的研究工作，2009年，前国家总理温家宝视察了中科院物联网感知中心，提出感知中国的概念。随后，无线传感网的研究在全国范围内铺开。上海、无锡等城市都相继成立物联网研究中心。国内众多高校则成立了物联网学院或者物联网工程专业。

作为一所应用型研究大学，重庆理工大学的电子与电气工程学院相关教师也开展了无线传感网的研究，并在通信工程专业开设了《无线传感器网络》课程，在电子信息工程专业开设《传感器网络》课程（以下在不引起混淆的情况下，将这两门课程统称为《无线传感网》课程）。2015年，我校对通信工程和电子信息工程专业的人才培养方案修订中，将这两门课程的学时数由原来的32学时调整为40学时，并包含了8学时的课内实验。并且，将《无线传感器网络》课程调整为通信工程专业必修课。

我校传感器网络相关课程的开设反映了我校在电子信息类专业教学改革中的与时俱进，增加实验课程则契合了我校建立高水平应用研究型大学的目标。但是学校关于《无线传感网》的实验条件还不能满足电子信息类本科生的实验需求。目前，《无线传感网》实验课主要依托于学校2016年刚建成的电子与通信实验中心，该中心可以为无线传感网提供实验条件的主要有约40台智能小车，该小车虽配备有ZigBee模块和传感模块，但核心控制器为STM32控制器。学习该课程的大部分学生基于单片机的C语言编程基础较差，更无法完成基于STM32控制器的无线传感网实验。因此，为了给学习该课程的学生提供更加适合的实验条件，本项目拟基于TI公司的CC2530芯片，开发一套无线传感网的实验平台。由于CC2530是基于ZigBee协议 + 8051核的一款无线单片机，该实验平台的开发和建立降低了单片机开发的难度，让学生可以把精力集中放在无线传感网的实验上，更利于无线传感网的学习和实践。该实验平台的建立还可以为电子信息类相关专业提供课程设计、毕业设计的实验平台。

1 实验平台硬件设计

该实验平台硬件主要包括无线单片机模块和常用传感器模块。无线单片机模块主要由CC2530构成，CC2530是由8051核和无线ZigBee构成，可以完成外设的控制和数据的无线传输。由于其内核为8051，所以是以大多数应用型高校的本科生都熟悉的51单片机的编程，使得学生更容易上手。而ZigBee协议栈在互联网上资料众多，可为学生提供参考。本实验平台也可为实验人员提供软件例程。

传感器模块主要包括了常用的温湿度传感器、光强度传感器等。温湿度传感器采用的是DHT11，在其正常工作时温度测量范围为0℃～50℃，测温精度为±2℃，分辨度为1℃；湿度的测量范围为20～90%RH，测湿精度为±5%RH，分辨度为1%RH。光强度传感模块为GY-30数字光模块，该模块的核心是BH1750FVI光感应元件，它是一个支持I2C接口的元件，但是由于CC2530里面没有I2C总线，所以在使用的时候，需要模拟I2C，SDL和SCL与CC2530的其中两个通用I/O口相连即可，通过编程来实现模拟。BH1750FVI的光照度范围为0-65535Ix，自带16位AD装换器，可直接输出数字，省略了计算。作为主流光感应元件，它具有对光源依赖性不大、光谱范围与人眼相近、高精度等特性，体积小成本低，其供电电压范围为3-5V，可与CC2530相配合。

其他模块还包括电源模块、串口模块、发光二极管模块、按键模块等。串口采用RS-232九针串口和MAX3232CSE芯片结合与电脑通信，可用于程序的调试。发光二极管显示模块由发光二极管和分压电阻组成，也可用于显示程序是否正常运行和程序调试。独立按键模块为四脚按键，模块带上拉电阻，与发射模块相连接，该模块分两路，一路用于复位，一路用于程序调试。

每一个單独的实验平台可以作为一个终端节点，参与到组网的过程中，构成无线传感网。比如可由每个传感节点采集节点所在地方的温度，并通过ZigBee协议传输到中心节点，由中心节点判断是否有异常。可以进行简单的星型组网和多跳网络。

为提高实验平台的通用性，采用了模块化的硬件结构，传感器终端可根据不同的功能需求来与CC2530模块的拓展接口相连。

2 软件设计与教学案例

该实验教学平台软件设置分三个层次，第一层次是CC2530的接口实验，了解与掌握CC2530每个接口的功能与使用；第二层次是利用传感器采集环境数据与分析即温湿度和光照强度数据的采集与分析；第三层次是传感网实验设计，进行节点组网，数据的采集与无线传输。第一层次到第三层次，难度循序渐进。利用软件IAREW8051-8.1搭建开发环境和编写下载程序，用CC Debugger进行在线程序调试。下面对软件可进行的实验进行简单的梳理，如表1所示。

对于实验学时数不够的情况，可以选择其中的部分实验进行开设。

3 结束语

本文面向应用型高校的无线传感网实验课程，设计了一个实验平台，基于该实验平台可以完成无线传感网课程的相关实验。该实验平台的设计，采用8051核单片机，降低了程序开发的难度，特别适合应用型高校的开设无线传感网课程的学生。