譚 志，黎學(xué)超，徐志勇

(北京建筑工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，北京100044 )

0 引言

“網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)”是我校自動(dòng)化專業(yè)網(wǎng)絡(luò)化控制方向的專業(yè)課，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在近五年的教學(xué)過程中，我們利用了各種先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，其中之一就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)指將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)［1，2］。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)地對(duì)在網(wǎng)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件［3］。

本文介紹的網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于芯片CC2530［4］系列傳感器模塊和無線節(jié)點(diǎn)模塊組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展嵌入式網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)訪問。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的多種架構(gòu)，完成物聯(lián)網(wǎng)各傳感器信息采集、無線信號(hào)收發(fā)、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通訊和組件控制全過程多種教學(xué)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)。不僅可以用于網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也適合物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開發(fā)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

(1)支持IAR 集成開發(fā)環(huán)境，具有USB 高速下載、在線下載、調(diào)試和仿真等功能;其配置靈活，可根據(jù)需要選配多種擴(kuò)展模塊;

(2)具有高性能和低功耗的8051 微控制器核—64 或128kB 的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存;8kB RAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力;

(3)集成符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF 無線電收發(fā)機(jī)—極高的接收靈敏度和抗干擾性能;可編程的輸出功率高達(dá)4.5dBm。

(4)在供電模式下，CC2530 芯片的耗電僅為24mA。4μs 就能喚醒系統(tǒng)，硬件支持CSMA/CA 功能。該芯片有較寬的供電范圍(2.0 ～3.6V)。

(5)支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI 和強(qiáng)大的5通道DMA。系統(tǒng)具有捕獲功能的32kHz 睡眠定時(shí)器，8 路輸出和12 位分辨率的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1個(gè)符合IEEE802.15.4 規(guī)范的MAC 定時(shí)器，1 個(gè)16位定時(shí)器和1 個(gè)8 位定時(shí)器。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)由CC2530 芯片的無線節(jié)點(diǎn)模塊、傳感器及控制器模塊和智能主板等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)無線節(jié)點(diǎn)模塊:由射頻單片機(jī)構(gòu)成，MCU是TI 的CC2530。模塊使用5V 供電輸入，在內(nèi)部使用DC/DC 芯片轉(zhuǎn)換成3.3V。CC2530 使用單芯片解決方案，該芯片使用5 腳的FPC 插座完成2 線DEBUG 接口信號(hào)的引出，DEBUG 信號(hào)使用額外的擴(kuò)展小板轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DEBUG 插頭可用的接口。

(2)傳感器及控制器模塊:主要包括溫濕度及光電傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、電壓輸出模塊、繼電器模塊和RS232 模塊等。

(3)智能主板:實(shí)現(xiàn)無線節(jié)點(diǎn)模塊與傳感器或控制器模塊的連接，又實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電。目前主要由兩節(jié)電池供電，保留外接電源接口，可以直接由外部直流電源供電。串口、程序JTAG 口及LCD 液晶顯示均在智能主板上。

2 系統(tǒng)主要模塊功能

(1)溫濕度及光電傳感器模塊

該模塊采用12 位ADC 采集器進(jìn)行光敏信號(hào)采集，使用專用溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度信號(hào)獲取。溫濕度探頭使用IIC 接口進(jìn)行控制，光敏探頭采集的信號(hào)經(jīng)運(yùn)算法放大器處理后輸出到ADC 輸入端。IIC 接口同時(shí)連接EEPROM 以及溫濕度傳感器，采用不同的IIC 設(shè)備地址的方式進(jìn)行區(qū)分。

(2)電流傳感器模塊

電流輸入經(jīng)過電流取樣檢測(cè)電路后轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，使用差分運(yùn)放識(shí)別其電流方向，差分運(yùn)放輸出的雙端信號(hào)經(jīng)差分轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，再經(jīng)過衰減電路調(diào)整到適合ADC 輸入的電壓范圍(0-3V)，再經(jīng)過運(yùn)算放大器構(gòu)成的緩沖器輸出到無線節(jié)點(diǎn)模塊的ADIN 端。

(3)電壓傳感器模塊

電壓輸入端使用大于1MΩ 的等效輸入阻抗做輸入取樣，將輸入電壓進(jìn)行15 倍衰減，然后使用差分電路到單端運(yùn)算放大器輸出，將其變換到0-3V 的范圍，經(jīng)電壓二次緩沖后送到ADC 采樣輸入端。

(4)電壓輸出模塊

采用IIC 接口的DAC(TI 的DAC5573)實(shí)現(xiàn)程控電壓輸出，它具有IIC 接口的8 位四路數(shù)模轉(zhuǎn)換器;緩沖放大器采用TLV2372，它是550μA/通道3MHz 的精密運(yùn)算放大器。

(5)繼電器模塊

采用1 片帶中斷輸出的IIC 接口的GPIO 擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)。其中繼電器輸出可任意配置成常開或常閉觸點(diǎn)，按鍵或外部GPIN 輸入可配置成高有效或低有效(有效時(shí)輸出中斷信號(hào))。

(6)RS232 模塊

將帶硬件流控制的TTL 電平的UART 信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232 信號(hào)。配合特定的程序，可實(shí)現(xiàn)外部RS232 接口或直接實(shí)現(xiàn)無線協(xié)調(diào)器功能。

3 系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

在“網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)兩類。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給定的演示程序添加到所創(chuàng)建的工程中編譯、加載生成HEX 文件并運(yùn)行。然后通過實(shí)驗(yàn)板上的LCD 顯示情況判斷程序是否運(yùn)行完好?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同的模塊可進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)。例如，無線傳感器節(jié)點(diǎn)可配合系統(tǒng)各模塊來加載不同無線傳感器節(jié)點(diǎn)程序;協(xié)調(diào)器模塊加載協(xié)調(diào)器程序做中心節(jié)點(diǎn)使用。

擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)作為選做內(nèi)容。是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上附有的擴(kuò)展要求。一般是對(duì)示例程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模蚴窃贚CD 上顯示更復(fù)雜的內(nèi)容，或是運(yùn)行一個(gè)采集其他參數(shù)的程序，或是調(diào)整串口通信波特率，或是增加輸出子程序?qū)⒔Y(jié)果在PC 機(jī)上顯示等。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程能力，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)向所有學(xué)生開放了傳感器模塊和協(xié)調(diào)器的PCB 原理圖及編程源代碼，設(shè)計(jì)步驟及程序流程圖。在硬件方面，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)鼓勵(lì)學(xué)生通過已有PCB 原理圖的提示來設(shè)計(jì)自己的電路和焊接實(shí)驗(yàn)板擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;在軟件方面，學(xué)生通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)源代碼及程序流程圖的提示來修改或編寫實(shí)驗(yàn)程序以實(shí)現(xiàn)不同功能。在PC 機(jī)客戶端，通過C+ +語言來熟悉物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面編寫。從而提高學(xué)生在軟硬件方面的綜合設(shè)計(jì)能力。

4 綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)例

學(xué)生可以自擬或結(jié)合教師的科研項(xiàng)目和工程實(shí)際開設(shè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。作為實(shí)例，這里給出一個(gè)實(shí)用性較強(qiáng)的Z-Stack Mesh 網(wǎng)絡(luò)通信綜合性實(shí)驗(yàn)，采用多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和控制輸出。

在Mesh 網(wǎng)絡(luò)中，主要設(shè)備為協(xié)調(diào)器和路由器，網(wǎng)絡(luò)中所有的終端設(shè)備并不都直接與協(xié)調(diào)器通信，有的設(shè)備需要中間路由節(jié)點(diǎn)才能將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)外，還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，包括向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接受上位機(jī)的數(shù)據(jù)并無線轉(zhuǎn)發(fā)給下面各個(gè)節(jié)點(diǎn)。路由器除了需要根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集或控制被控對(duì)象，還需要承擔(dān)路由任務(wù)。Z-Stack 程序執(zhí)行流程如圖2所示。

(1)應(yīng)用層—協(xié)調(diào)器程序執(zhí)行。ZigBee 測(cè)控部分的軟件編程采用集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench For MCS-51 7.51A。ZigBee 協(xié)議棧采用TI Z-Stack2.3.1-1.4.0。協(xié)調(diào)器模塊上電后向上位機(jī)Sever 發(fā)送設(shè)備識(shí)別消息，在應(yīng)答后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，直到上位機(jī)發(fā)出對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作指令。接到指令后協(xié)調(diào)器進(jìn)入消息處理循環(huán)，處理完畢接到上位機(jī)，應(yīng)用連接斷開命令后斷開。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖3所示。

圖2 Z-Stack 程序流程圖

(2)應(yīng)用層—路由程序執(zhí)行流程。路由器軟件和協(xié)調(diào)器基本類似，只是不需要與Sever 通信。終端節(jié)點(diǎn)軟件因只負(fù)責(zé)測(cè)控事件以及循環(huán)等待無線接收信息指令，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。路由程序執(zhí)行流程如圖4所示。

圖3 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖4 路由程序流程圖

(3)上位機(jī)監(jiān)控軟件—該監(jiān)控軟件基于C + +語言模塊化設(shè)計(jì)。其中系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控C/S 平臺(tái)界面采用Visual Studio 2005 集成開發(fā)環(huán)境和Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件［5］，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ZigBee 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與控制、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)曲線繪制與歷史報(bào)表功能。上位機(jī)網(wǎng)頁B/S 平臺(tái)利用Tomcat 6.0 和My Eclipse 8.5 等工具實(shí)現(xiàn)。嵌入式PDA 采集控制界面使用VC + +在Windows CE 6.0 環(huán)境下編寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。

［1］ International Telecommunication Union UIT. ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things［R］.2005

［2］ Gustavo R G，Mario M O，Carlos D K. Early infrastructure of an Internet of Things in Spaces for Learning［C］.Eighth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies，2008:381-383.

［3］ Amardeo C，Sarma，J G. Identities in the Future Internet of Things［J］.Wireless Pers Commun 2009，49:353-363.

［4］ Texas Instruments. CC2530F32，CC2530F64，CC2530F128，CC2530F256，A True System-on-Chip Solution for 2. 4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications［K］.2009.

［5］ 劉卉，汪懋華，王躍宣等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008(3):604-608.