閆明明， 郭 濤， 鮑愛(ài)達(dá)

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

從傳統(tǒng)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到航天科技，溫度的準(zhǔn)確測(cè)量與傳輸都有至關(guān)重要的作用［1］。傳統(tǒng)的有線測(cè)試與傳輸方法存在布線復(fù)雜、造價(jià)高、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。而且有的測(cè)試環(huán)境惡劣，測(cè)試人員難以靠近，遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸會(huì)出現(xiàn)安裝麻煩、線路復(fù)雜、受干擾較多等缺點(diǎn)，會(huì)造成信號(hào)噪聲過(guò)大、信號(hào)失真，甚至?xí)霈F(xiàn)采集到的信號(hào)無(wú)效的情況［2］。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)解決了以上問(wèn)題，可以同時(shí)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)并進(jìn)行遠(yuǎn)距離低損耗的傳輸。

1 硬件框架結(jié)構(gòu)

1.1 總體硬件方案框架

該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，包含3個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器具有建立Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)顯示、溫度測(cè)量和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，節(jié)點(diǎn)具有溫度測(cè)量和加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)器通信的功能［3］。

1.2 協(xié)調(diào)器硬件框架

協(xié)調(diào)器使用5 V電源供電，總體分為ARM和RF兩個(gè)部分，RF部分負(fù)責(zé)接收其他節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)和采集本芯片溫度數(shù)據(jù)，然后將其通過(guò)SPI傳送給ARM并判斷是否需要報(bào)警，主芯片采用TI公司的CC2530無(wú)線SOC［4］。ARM部分負(fù)責(zé)接收溫度數(shù)據(jù)顯示到LCD之上，并保存進(jìn) SD卡，主芯片采用 NXP公司的LPC1114［5］。協(xié)調(diào)器硬件框架圖如圖2所示。

圖1 總體硬件方案框架圖

圖2 協(xié)調(diào)器硬件框架圖

1.3 節(jié)點(diǎn)硬件框架

在圖3中，節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)1.5 V干電池供電，RF主芯片也采用CC2530，節(jié)點(diǎn)的主要功能即采集周?chē)h(huán)境溫度，并搜索網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，并根據(jù)事先設(shè)定的閾值判斷是否報(bào)警。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源供給電路

在圖4所示的電路中，協(xié)調(diào)器 CC2530以及LPC1114均可在3.3 V電源供給下工作，所以系統(tǒng)只需要3.3 V供電即可。下表為主要器件耗電電流。

通過(guò)表1可知電源模塊不需要提供＞200 mA的電流輸出。系統(tǒng)通過(guò)MicroUSB輸入5 V電源，通過(guò)LDO AMS1117-3.3取得3.3 V電源，輸入輸出壓差為1.7 V，在此工作狀態(tài)下AMS1117可提供1.125 A的電流，完全有能力為整個(gè)系統(tǒng)供電［6］。供電模塊前后級(jí)均使用鉭電容配合貼片陶瓷電容進(jìn)行濾波，使得電路板尺寸更小，電源抗噪聲能力增加，系統(tǒng)壽命更持久［7］。

圖4 電源模塊原理圖

表1 主要器件最大工作電流

2.2 時(shí)鐘電路

整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用3個(gè)時(shí)鐘，如圖5所示，12 MHz的時(shí)鐘提供給LPC1114，32 MHz時(shí)鐘提供給射頻SOC CC2530，32.768 kHz時(shí)鐘為CC2530提供更加精確的定時(shí)器精度［8］。

圖5 時(shí)鐘產(chǎn)生電路圖

所有的時(shí)鐘產(chǎn)生電路都很類(lèi)似，差別在于石英晶體的振蕩頻率和負(fù)載電容值不同。查器件手冊(cè)可得各不同石英晶體振蕩器的負(fù)載電容值。

式中:CL為石英晶體振蕩器的負(fù)載電容，可以查手冊(cè)得到;C為石英晶體振蕩器對(duì)地的2個(gè)電容值;Cparasitic為PCB布線寄生電容和IC時(shí)鐘引腳內(nèi)部電容值之和。

2.3 報(bào)警電路

在圖6中采用有源電磁式蜂鳴器，只要通以25 mA直流電流即可發(fā)出聲響。UCC=3.3 V，MOS管完得到負(fù)載電容值之后可根據(jù)以下公式計(jì)算晶振對(duì)地的電容值。全導(dǎo)通時(shí)DS壓降幾乎為0，DS電阻也為毫歐姆級(jí)，皆可忽略不計(jì)，于是計(jì)算得到:

圖6 蜂鳴器報(bào)警電路

2.4 射頻天線電路

由于CC2530天線輸出是特征阻抗為(69+j29)Ω的平衡天線信號(hào)，而本系統(tǒng)采用的天線為50 Ω 7Dbi的全向非平衡天線，故圖7中L1、L2、C5、C7構(gòu)成巴倫，進(jìn)行射頻信號(hào)的平衡到非平衡轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換。電路中C4、C8的作用是為了抵消CC2530輸出的感性分量和PCB板寄生電感，C6將巴倫和天線進(jìn)行耦合［9］。

圖7 射頻天線電路

2.5 復(fù)位電路

由于LPC1114為低電平復(fù)位，所圖8中復(fù)位引腳通過(guò)R6上拉保持高電平，當(dāng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)，復(fù)位引腳被強(qiáng)行拉底，從而觸發(fā)LPC1114的復(fù)位中斷進(jìn)行復(fù)位。C12的作用是當(dāng)S1提供最小低電平保持時(shí)間以保證100%復(fù)位，因?yàn)槿绻碗娖匠掷m(xù)時(shí)間過(guò)短時(shí)可能會(huì)復(fù)位失?。?0］。

圖8 復(fù)位電路

時(shí)間常數(shù)UCC=3.3 V，假設(shè)0 ～1.2 V 為低電平，即UC=1.2 V，根據(jù)公式:

可得t=22 ns≥20 ns，滿足LPC1114復(fù)位時(shí)要求低電平脈沖寬度大于20 ns的要求［11］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

在圖9中，CC2530上電后隨即初始化UART和SPI接口，設(shè)定波特率、端口信息、主從設(shè)置。隨后將片內(nèi)溫度傳感器和內(nèi)部ADC連接，并初始化ADC和溫度傳感器［12］。通過(guò)調(diào)用basicRfInit()函數(shù)根據(jù)事先設(shè)定好的PANID、信道、本地地址對(duì)射頻部分硬件進(jìn)行初始化，完畢后開(kāi)啟數(shù)據(jù)接收，將通過(guò)射頻接收到的溫度數(shù)據(jù)和本地溫度數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口發(fā)送給LPC1114。

圖9 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

LPC1114上電后，調(diào)用函數(shù)init_timer()初始化定時(shí)計(jì)數(shù)器0，調(diào)用enable_timer32()啟用定時(shí)計(jì)數(shù)器0。然后初始化GPIO口，對(duì)GPIO口進(jìn)行操作初始化LCD液晶顯示器，LCD初始化完畢后立刻進(jìn)入到SPI初始化階段中，隨后進(jìn)入無(wú)限的更新溫度到LCD的循環(huán)當(dāng)中［13］。當(dāng)CC2530通過(guò)SPI發(fā)送數(shù)據(jù)到LPC1114后，LPC1114即會(huì)產(chǎn)生SPI0中斷請(qǐng)求，隨即進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，將CC2530發(fā)送的數(shù)據(jù)解碼成溫度數(shù)據(jù)并保存在變量 temp1、temp2、temp3 中。

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在圖10中CC2530上電后隨即初始化UART和SPI接口，設(shè)定波特率、端口信息、主從設(shè)置。隨后將片內(nèi)溫度傳感器和內(nèi)部ADC連接，并初始化ADC和溫度傳感器。通過(guò)調(diào)用basicRfInit()函數(shù)根據(jù)事先設(shè)定好的PANID、信道、本地地址對(duì)射頻部分硬件進(jìn)行初始化，完畢后將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)射頻發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

圖10 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4 調(diào)試及結(jié)果

4.1 傳輸距離測(cè)試

為了驗(yàn)證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，分別在房間內(nèi)與室外進(jìn)行距離測(cè)試。房間內(nèi)以墻壁作為間隔，每隔一扇墻壁放置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn);室外選擇一條較筆直的地鐵軌，將其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)置于鐵軌上，手持協(xié)調(diào)器，一邊走一邊將協(xié)調(diào)器復(fù)位，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表。

表2 數(shù)據(jù)出錯(cuò)率

當(dāng)相隔3個(gè)房間以上的時(shí)候，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率快速上升，這是因?yàn)閴Ρ谖樟藷o(wú)線電信號(hào)所致［14］。室外距離采用手持GPS測(cè)得，距離測(cè)試圖如11所示。

圖11 距離測(cè)試圖

4.2 精度測(cè)試

為了降低造價(jià)，溫度傳感器采用了CC2530芯片內(nèi)部的內(nèi)置溫度傳感器，所以精度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫傳感器比較低，現(xiàn)在對(duì)溫度傳感器進(jìn)行精度測(cè)試［15］。

表3為精度測(cè)試結(jié)果。

表3 精度測(cè)試結(jié)果

溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試精度達(dá)到了1.39%，可以看出CC2530的內(nèi)置溫度傳感器還是可以比較精確的完成待測(cè)區(qū)域的溫度測(cè)量任務(wù)的。

4.3 組網(wǎng)測(cè)試

本測(cè)試主要對(duì)無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組網(wǎng)測(cè)試［16］，將傳感器節(jié)點(diǎn)1、2、3 分別置于不同溫度的待測(cè)區(qū)域，將協(xié)調(diào)器復(fù)位，三個(gè)區(qū)域的溫度均在協(xié)調(diào)器上正常顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12所示。

圖12 自組網(wǎng)測(cè)試圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)多處遠(yuǎn)距離區(qū)域進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好。但是因?yàn)闇囟葌鞲衅鞑捎肅C2530芯片的內(nèi)置溫度傳感器，精度不是很好，在精度要求特別高的場(chǎng)合，本系統(tǒng)可以采用高精度的溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。在不久的將來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將慢慢取代傳統(tǒng)的測(cè)試方法成為測(cè)試領(lǐng)域的主流。

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