基于CC2530的無線傳感器節點的設計及性能分析

李忍忍，張正華，呂東方

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225000)

基于CC2530的無線傳感器節點的設計及性能分析

李忍忍，張正華，呂東方

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225000)

針對人力成本較高的現狀和傳統的有線監測系統布線繁雜、監測靈活性差及以往無線傳感器節點能耗較高等問題，介紹了一種新型的無線傳感器節點的結構和工作性能。綜合利用太陽能供電技術、傳感技術和無線通信技術，設計了一種依靠太陽能自主供電的無線傳感器節點，有效解決了傳感節點能耗的問題。經測試，人機交互操作簡單，節點可靠性高，可以滿足環境參數采集和監測工作的要求。

太陽能；CC2530；無線傳感器節點；智慧農業

0 引言

從傳統農業到現代農業轉變的過程中，農業信息化的發展大致經歷了電腦農業、數字農業、精準農業和智慧農業4個過程[1]。當前，人力資源成本愈發昂貴，智慧農業已經成為現代農業發展的必然趨勢，而使用無線傳感器節點構建的網絡，則是智慧農業獲取信息的主要途徑[2]。在此背景下，本文意在設計一種新型的無線傳感器節點，并利用拉格朗日插值算法標定參數，最后通過實驗測試它的工作性能。

當前，已經有許多的專家和學者投入了智慧農業的研究中?，F在，將無線傳感器網絡技術與智慧農業監測相結合已經成為現實[3]。在此基礎上，本文將設計一種依靠太陽能自主供電的無線傳感器節點。目前，如何降低和平衡無線傳感器節點的能耗已經成為一個研究熱點，本文將通過實驗，判斷依靠太陽能供電的節點是否能夠滿足監測要求從而正常工作。

1 系統方案設計

無線傳感器節點是監測系統最基本的組成單元，用于實時監測作物生長環境的變化[4]，總體結構設計如圖1所示。

圖1 傳感器節點結構

本文選用CC2530F256作為核心的單片機，為了保證每個傳感器節點具有基本的信息處理和通信能力，傳感器節點包括4個模塊：電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和信號放大模塊[5]。

2 硬件設計

設計中CC2530無線單片機作為整個節點的核心板，直接決定了節點的工作性能的優劣。它工作在2.4 GHz頻段，具有出色的擴展性能和抗干擾能力[6]。為了能夠可靠地與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據，CC2530需要完成傳感器數據的A/D轉換、網絡信號的傳輸以及與上位機之間的通信等功能[7]。

2.1 電源模塊設計

電源模塊包括電池和太陽能電池，其中，太陽能板需要為可充電式鋰電池供電。在太陽能電池板和限流電路之間有一個直流-直流變換的過程,目的是獲取光伏電池的最大功率點，使節點處于供電的最優狀態[8]。鋰電池除了可以為傳感器提供工作電壓，還可以通過穩壓電路為CC2530提供一個低壓電源。CC2530可在2～3.6 V電壓范圍內工作，選用一個3.3 V的穩壓電路[9]。此設計利用充電模塊保證了節點的連續工作，相對延長節點的使用壽命，最終確保穩定地采集數據。

2.2 處理器模塊

處理器模塊涵蓋了A/D轉換器、射頻收發器和存儲器，負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據[10]。CC2530自帶有8路輸入的12位ADC轉換器，而且它的功耗較低，尤其是休眠模式下，工作電流僅需2 μA。此外，CC2530芯片在CC2430 等芯片的基礎上增大了存儲容量，信號和數據的傳輸能力有了較大提升，從而在降低系統成本的同時提高了網絡的穩定性[11]。射頻收發電路的功能是對傳感器節點的數據進行無線發送和接收。CC2530單片機芯片的RF-P與RF-N管腳是一對差分輸入輸出信號，本文基于對實際應用中通信距離、系統功耗等指標的綜合考慮，使用不平衡單極子天線，并使用巴倫匹配電路來進行射頻收發信號的匹配[12]。

使用2個晶振:高頻的32 MHzt和低頻的32.768 kHz。高頻晶振在射頻收發時工作，低頻晶振是為了減少功耗，在芯片睡眠時關閉內部某些電路，使它們以極低的頻率工作達到低功耗的目的[13]。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換。由于無線傳感網中的傳感器類型比較多，本文只介紹其中比較常用的。下面選取光敏傳感器、溫濕度傳感器和可燃氣體傳感器做著重介紹，如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標

2.4 信號放大電路

雖然傳感器的輸出電壓在A/D轉換的范圍內，但為了提高轉換精度，需要對信號進行放大。放大電路的使用是本文設計的一個創新之處。因為OP-07具有輸入偏置電流低、開環增益高的特性，適合用于放大傳感器的微弱信號[14]。所以信號放大模塊主要包括OP-07運算放大器和ICL7660極性反轉電源轉換器，電路采用反相輸入，其放大倍數約為3倍。極性反轉電路如圖2所示，信號放大電路如圖3所示。

圖2 極性反轉電路

圖3 信號放大電路

傳感器輸出的電壓Vin經過信號放大電路處理后得到Vo并與CC2530的A/D轉換口P0_4 相連。

3 傳感器節點軟件設計

傳感器網絡中的各個節點需要進行大量的數據發送、接收及處理工作。底層軟件設計采用開源Zigbee2007協議棧Z-Stack-CC2530，該協議棧提供了可靠、安全、高效的ZigBee協議實現方法。

3.1 發送節點的軟件設計

發送節點的主程序流程如圖4所示。

圖4 發送節點的主程序流程

當傳感器節點收到發送數據的命令，或者到達預先設定的發送數據間隔時間后，就向鄰居匯聚節點發送連接請求。收到連接請求后，匯聚節點將根據自身情況決定是同意連接還是向鄰居匯聚節點轉發這個連接請求。最終，傳感器節點會收到一個匯聚節點的回復消息，包括匯聚節點的地址和路由情況等。連接成功后，傳感器節點即進入發送數據的狀態，CC2530調用指令ISTXONCCA將經過A/D轉換后的數據信息，通過ZigBee無線收發器射頻前端發送出去[15]。發送結束后，傳感器節點及時進入休眠狀態以減少不必要的能量消耗。休眠狀態下，傳感器節點還會繼續監測，等待下一次的發送命令。

3.2 接收節點的軟件設計

當傳感器節點收到連接請求后，節點會判斷是否接收數據。如果節點在網絡的最優路徑上，就建立連接準備接收數據。連接成功后，接收節點通過指令ISRXON開啟射頻接收器，等待接收數據直到正確收到數據為止，接收節點的主程序流程如圖5所示。

圖5 接收節點的主程序流程

3.3 PC端軟件設計

由于無線傳感網絡的節點數量巨大，部署這么多的節點實驗難度太大，成本很高，所以本文縮減了傳感器節點的數量，旨在盡可能真實地模擬無線傳感網絡的運行情況。本文借助ekoview 虛擬機系統進行模擬，該系統通過虛擬機可以直接安裝使用，操作起來簡單方便。用戶通過上載部署了傳感器的jpeg格式的地圖文件，可直觀地看出整個網絡的拓撲結構和傳感器節點的粗略位置，如圖6所示。

圖6 部署地區地圖

新加入無線傳感器網絡的節點將出現在左側導航面板，點擊并拖動節點即可將其置于地圖上?；?下載板)將所有傳感器節點采集到的數據匯聚，通過USB串口發送給上位機軟件[16]，實時數據采集情況如圖7所示。

圖7 實時數據采集

4 實驗原理及結果分析

4.1 傳感器參數標定的方法

傳感器參數的標定主要利用二維的拉格朗日插值算法，拉格朗日插值算法如下：

① 進行4組實驗，每組重復進行5次，每組取5個數據的平均值，將得到4組離散數據(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。

② 設函數為：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次多項式)。

③ 當x等于x0時，令b0(x0)=1，b1(x0)=b2(x0)=b3(x0)=0，此時f(x)=y0。

④ 設b0(x)=a0*(x-x1)*(x-x2)*(x-x3)，將b0(x0)=1帶入上式得：

⑤ 同理，重復步驟③和步驟④，可求得b1(x)，b2(x)，b3(x)。

這里以溫濕度傳感器為代表，介紹參數的標定過程。在密閉空間內，多次改變環境的溫濕度，并與傳感器返回的電壓值一一對應。溫度傳感器的測量數據如表2所示，濕度傳感器的測量數據如表3所示。

表2 溫度傳感器測量數據

表3 濕度傳感器測量數據

以x表示返回電壓值，y1和y2分別表示溫度和濕度，可以建立如下關系式：

(1)

(2)

綜上所述，傳感器輸出的電壓值隨溫濕度的增加而增加，但不是嚴格的線性關系。

4.2 太陽能電池性能測試

由于本系統中節點借助太陽能電池供電，為了直觀地反應電池和太陽能電池之間的電壓關系，本文將2組數據取出手動繪制折線圖。隨機選取一個傳感器(這里選取光照傳感器)，每隔5 min讀取一次數據。圖8繪制了傳感器在光照充足的條件下(這里選取上午的9:00-10:00)，電池電壓和太陽能電池電壓的變化情況。圖9是將節點拿至室內后的變化情況，推遲半小時后開始記錄數據(選取10:30-11:30)。

圖8 光照充足的條件下，節點的電壓測試

圖9 室內情況下，節點的電壓測試

由圖8和圖9的電壓測試結果可以看出：

① 當光照充足的條件下，電池電壓穩定在3.98 V，太陽能電池的電壓也相對穩定在4.2 V，電量充足，足以滿足傳感器節點的供電需求；

② 當光照不足的情況下，電池電壓雖然較光照充足時波動變大了，但還是穩定在3.9 V以上，傳感器的功能不會受到影響；

③ 光照不足時，太陽能電池的電壓值降幅很大，但在相當長的一段時間內仍可以穩定在3 V左右。

4.3 結論

綜上所述，由各傳感器的測量范圍和誤差可知，傳感器能夠對各環境參數進行采集，滿足智慧農業系統一般的監測需求。由節點電壓的測試情況可知，依靠太陽能供電的傳感器節點能夠長期可靠地采集數據。

5 結束語

本文在將物聯網技術應用于智慧農業領域的大背景下，以CC2530模塊為硬件基礎，設計了一種新型的無線傳感器節點。闡述了節點的軟硬件設計原理、太陽能供電的流程、傳感器的標定方法及結果等。經測試，本文設計的傳感器節點供電系統電壓值穩定，可以應用于無線傳感器網絡。

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李忍忍 男,(1993—),碩士研究生。主要研究方向：無線傳感器網絡、實時信號處理。

張正華 男,(1965—),副教授，碩士生導師。主要研究方向：視頻圖像處理及編解碼、實時信號處理等。

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，張正華，呂東方.基于CC2530的無線傳感器節點的設計及性能分析[J].無線電工程,2017,47(4):73-77.

2017-01-08

江蘇省產學研聯合創新資金(前瞻性聯合研究)資助項目(BY2013063-10)；揚州市2012年產學研合作專項(2012038-8)。

TN919

A

1003-3106(2017)04-0073-05