周 鵬， 張慶華， 胡子童， 朱邦亮， 張明艷

(1.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司煙臺市分公司， 山東 煙臺 264000 )

對于一般的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備，其系統(tǒng)核心是嵌入式MCU結(jié)合Wi-Fi等無線技術(shù)，但傳統(tǒng)的設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)需要進行智能升級。另外Wi-Fi因其高速度的優(yōu)點和高功耗的缺點，一直以來被認為只能在手機、平板電腦、筆記本電腦和臺式機等設(shè)備中使用。如今，物聯(lián)網(wǎng)帶來的巨大市場機會讓W(xué)i-Fi標(biāo)準的制造業(yè)者加緊了創(chuàng)新的步伐，德州儀器(Texas Instruments，TI)推出的面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新型SimpleLinkTMWi-Fi? CC3200平臺，具有低功耗、高度的靈活性和全集成三大特征，將在智能家居和樓宇自動化、智能能源處理、多媒體傳輸、保密/安防和工業(yè)M2M通信等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該平臺具有內(nèi)置可編程MCU的單芯片Wi-Fi解決方案，具有業(yè)界最低功耗(適用于電池供電式設(shè)備，當(dāng)使用間歇式連接模式時，用兩節(jié)AA電池可以工作一年)，以及低功耗射頻和高級低功耗模式，支持快速連接、云支持以及安全協(xié)議，有助于用戶快速完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案的簡易型開發(fā)[1]。

本文使用TI公司推出的CC3200 LaunchPad作為一個設(shè)備，充分利用CC3200集成的可編程ARM Cortex-M4 MCU，允許用戶添加代碼，以及該設(shè)備的快速連接、云支持和片上Wi-Fi等優(yōu)點，設(shè)計基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案。在程序正常運行時，通過無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以在任何一個有網(wǎng)絡(luò)的地方登錄云服務(wù)器，遠程查看CC3200 LaunchPad檢測的溫度測量值和加速度測量值，通過網(wǎng)頁上的按鍵，遠程控制CC3200 LaunchPad上的LED燈，從而快速實現(xiàn)基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

圖1所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在系統(tǒng)正常工作過程中，溫度傳感器和加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過CC3200處理，再通過CC3200內(nèi)置Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器與手機或PC端無線連接，把本地傳感數(shù)據(jù)上傳到云端，網(wǎng)頁上有開關(guān)選項可實現(xiàn)遠程控制本地設(shè)備(CC3200 LanuchPad)的LED指示燈。

圖1 方案設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 CC3200 LaunchPad套件特點

TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad有如下特點：單芯片Wi-Fi解決方案；40-Pin LaunchPad標(biāo)準擴展引腳；Micro USB接口可用于供電和調(diào)試；支持串口Flash編程；支持四線JTAG和二線SWD；2個按鍵和3個LED燈可供用戶使用；虛擬串口，通過PC的USB口進行UART通信；含有加速度和溫度傳感器(IIC總線通信)[2]。

2.2 CC3200 LaunchPad硬件電路設(shè)計

CC3200 LaunchPad是一個低功耗的評估平臺，集成了高性能微處理器CC3200、傳感器、BoosterPack插入式模塊、電源管理電路、仿真電路、JTAG/SWD轉(zhuǎn)換電路、LED指示燈電路、異步串行接口電路、用戶按鍵控制及復(fù)位電路等。

2.2.1 CC3200時鐘源電路

CC3200需要兩個獨立的時鐘源：以32.768 kHz頻率運行的慢速時鐘源用于實時時鐘RTC；以40 MHz頻率運行的快速時鐘源用于內(nèi)部處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)。電路設(shè)計原理圖分別如圖2和圖3所示。慢速時鐘頻率的精度必須是32.768 kHz±150 ppm，實時時鐘RTC可以對外提供對系統(tǒng)現(xiàn)有的時鐘復(fù)用和降低整體成本及功耗?？焖贂r鐘頻率的精度要求為40 MHz±25 ppm，支持基于晶體的快速時鐘，使得低成本的晶振作為時鐘源成為可能。

圖2 RTC晶振連接電路圖 圖3 快速時鐘晶振連接電路圖

2.2.2 RF外圍電路

CC3200的芯片集成度高，外圍只需要非常少的阻抗匹配電路和天線就可以實現(xiàn)射頻收發(fā)[3]。外圍電路具體元件及參數(shù)如圖4所示。該系統(tǒng)包含802.11b/g/n射頻、基帶，優(yōu)化后的天線設(shè)計使得傳輸距離遠(空曠地典型距離200 m)。

圖4 CC3200 RF外圍電路圖

2.2.3 按鍵控制及復(fù)位電路

CC3200 LaunchPad上有3個按鍵，分別是復(fù)位按鍵SW1、用戶按鍵SW2和SW3。當(dāng)用戶按下按鍵時，會接通高電平。復(fù)位按鍵SW1(RESET)可復(fù)位CC3200到起始狀態(tài)，同時復(fù)位信號還接到了擴展引腳(BOOSTER PACK)上及仿真器(Emulator)上。

2.2.4 傳感器的選擇

本設(shè)計方案中系統(tǒng)采用的是TI公司的單芯片無源紅外線(IR)MEMS非接觸式溫度傳感器TMP006和Bosch Sensortec公司推出的三軸重力加速度傳感器BMA222[4]。TMP006為便攜式消費類電子產(chǎn)品實現(xiàn)非接觸溫度測量功能，片上MEMS熱電堆傳感器、信號調(diào)節(jié)功能、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、局部溫度傳感器以及各種電壓參考，可為非接觸溫度測量提供完整數(shù)字解決方案。BMA222是目前最小的LGA封裝電子加速傳感器，是一技術(shù)成熟的三軸重力傳感器，具有四段式±2 g到±16 g的可程式測量范圍，以及可辨識特定移動型態(tài)的整合式分析裝置。

3 軟件設(shè)計

3.1 Exosite Cloud程序設(shè)計

本設(shè)計是基于TI CC3200 LaunchPad的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用方案設(shè)計，由TI合作網(wǎng)站Exosite提供云平臺服務(wù)，從而實現(xiàn)云端查看傳感數(shù)據(jù)，遠程控制CC3200 LaunchPad上的LED燈。首先，CC3200需要通過一個無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，這樣才能把本地傳感數(shù)據(jù)上傳到由TI和Exosite合作提供的云服務(wù)器，所以Exosite Cloud程序的關(guān)鍵在于對CC3200進行智能配置連上Wi-Fi熱點。Exosite Cloud項目程序流程如圖5所示。CC3200首先配置為站點模式，掃描并存儲接入點信息；然后配置為接入點模式，當(dāng)Wi-Fi站點瀏覽網(wǎng)頁時，將掃描到的接入點名稱通過GET標(biāo)記發(fā)送到網(wǎng)頁進行顯示，供Wi-Fi站點進行選擇配置，配置完成后通過POST標(biāo)記將配置信息發(fā)回；最后利用配置信息連接接入點[6]。

圖5 Exosite Cloud項目程序流程圖

3.2 軟件的調(diào)試及運行結(jié)果

當(dāng)用戶將設(shè)備添加完成后，即可在網(wǎng)頁上看到 CC3200 LaunchPad 的運行結(jié)果，如圖6所示。從圖中可以看出，本文所設(shè)計的基于TI Wi-Fi CC3200 LaunchPad物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方案主要可實現(xiàn)以下功能：溫度顯示，用戶按鍵操作，加速度顯示，遠程控制板LED燈。

圖6 CC3200 LaunchPad的運行結(jié)果顯示圖

4 結(jié) 語

本設(shè)計實現(xiàn)了基于TI Simplelink Wi-Fi MCU CC3200為核心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，充分利用它的內(nèi)部資源，減少了程序冗余量，提高了運行效率，避免了復(fù)雜的片外硬件搭建。系統(tǒng)集成的溫度傳感器及加速度傳感器，可實現(xiàn)對環(huán)境溫度的測量?？蓹z測板卡受到外力作用而引起的加速度變化，并通過CC3200 Wi-Fi片上互聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)本地傳感數(shù)據(jù)上傳到云端，并能在網(wǎng)頁端控制板卡上的LED燈及查看設(shè)備狀態(tài)。

[1] 于寅虎.嵌入式Wi-Fi實現(xiàn)更低功耗挺進工業(yè)通信市場[J].電子產(chǎn)品世界,2014(7):72.

[2] 張耀峰.基于CC3200的數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].太原:中北大學(xué),2017.

[3] 郭書軍,田志鵬.基于單片Wi-Fi MCU CC3200的無線串口[J].儀表儀器用戶,2016(1):23-27.

[4] 苗敏敏,周治平,王杰鋒.基于加速度傳感器的手機用戶認證方法[J].計算機工程與科學(xué),2015,37(3):508-513.

[5] 許艷丹,張前進.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧圖書館研究[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,32(1):50-53.

[6] 郭書軍.ARM Cortex-M4+Wi-Fi MCU應(yīng)用指南[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015:217-218.

[7] 郭書軍,田志鵬.基于單片Wi-Fi MCU CC3200的無線串口[J].儀器儀表用戶,2016,23(1):24-27.