基于CC2530的智能温度传感器节点设计_巩娜

效地防止电池过度充电。运用锂电池电压检测芯片 ＣＮ３０１组成放 电 保 护 电 路，防 止 电 池 过 度 放 电，能 够有效地 延 长 锂 电 池 的 使 用 寿 命 。 ［１０］ 电 路 板 的 工 作 电 压 为３．３Ｖ，而 锂 电 池 的 工 作 电 压 一 般 为 ３．６～ ４．２Ｖ（正 常 放 电 电 压 为 ３．７ Ｖ，充 满 电 时 的 电 压 为 ４．２Ｖ），需要电压转 换 芯 片 来 产 生 所 需 要 的 工 作 电 压。采用 ＣＭＯＳ 管 和 电 压 跟 随 器 组 成 电 池 电 压 监 测电路，对电池电 压 进 行 监 测，提 供 电 池 电 压 信 息， 以便在电池电压不足时发出报警信息。
引言
基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 标 准 的 ＺｉｇＢｅｅ技 术 是 一 种 近 距 离 、低 复 杂 度 、低 功 耗 、低 速 率 、低 成 本 的 双 向 无线通讯技术［１］，随着 ＺｉｇＢｅｅ技 术 规 范 的 进 一 步 完 善，ＺｉｇＢｅｅ技术 应 用 越 来 越 广 泛，应 用 到 了 家 庭 自 动化、家庭安全、工业与环境控制等领域 。 ［２］ 但 目 前 许多应用中依 旧 局 限 于 仅 使 用 ＺｉｇＢｅｅ芯 片 的 无 线 通信功能，并 没 有 充 分 发 挥 ＺｉｇＢｅｅ芯 片 的 价 值，且 现在 观 测 场 进 行 温 度 测 量 多 把 ＰＴ１００ 挂 接 到 采 集 器上，采用有线方 式 与 上 位 机 进 行 通 信，功 耗 高，结 构复杂，不便于 使 用 和 更 换。 与 目 前 大 多 数 的 设 计 不同，本系统 从 底 层 做 起，采 用 ＺｉｇＢｅｅ芯 片 内 嵌 的 ５１单片机实现温度要素的采集，采 用 模 块 化 设 计 方 法 ，将 采 集 和 无 线 传 输 结 合 起 来 ，模 块 的 集 成 度 和 可 靠 性 高 ，功 耗 低 ，便 于 更 换 和 升 级 。
第５期
巩娜等：基于 ＣＣ２５３０的智能温度传感器节点设计
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图 １ Ｚ－Ｓｔａｃｋ 简 易 流 程 图
１．２ 温 度 采 集 电 路 采集电路部分，ＰＴ１００ 温 度 传 感 器 使 用 四 线 制
接法接入有效地消 除 引 线 电 阻，提 高 测 量 结 果 的 准 确性［９］。ＰＴ１００ 经 过 接 线 端 子 接 入 电 路 板 后 先 经 过 ＴＶＳ管以降低电 路 板 被 雷 击 的 概 率。 电 路 板 设 计 中 接 地 分 为 数 字 地 、模 拟 地 、高 频 地 、保 护 地 ，保 护 地经过外壳连接到 大 地，电 源 设 计 上 也 采 用 了 模 拟 数字高频 分 隔 的 方 法。 采 用 恒 流 恒 压 方 法 进 行 测 量，由 ＲＥＦ２００产生２００μＡ 电流作为恒流源进行驱 动，流 经 ＰＴ１００ 温 度 传 感 器 和 １００Ω 的 精 密 电 阻， 两路差分信号分别经过电压跟随器后在通过由低功 耗 运 放 ＬＭＰ２２３２ 和 ＬＭＰ２２３４ 放 大 ７５ 倍 后 送 至 ＣＣ２５３０的 ＡＩＮ０和 ＡＩＮ１，来实现对温度的测量，使 用 ＲＳ１００和 ＰＴ１００两路 差 分 信 号 这 样 可 以 降 低 电 流源对温度测量的影响。ＡＤ 转换以 ＲＥＦ１９２ 产 生 ２．５Ｖ 的 基 准 电 压 为 参 考 电 压。 整 体 采 集 电 路 如 图３所示。
温度采集模 块 每 ２ｓ进 行 一 次 数 据 采 集，并 经 过处理后每分钟发 送 一 次 数 据，其 余 时 间 均 处 于 休 眠状态。实际测量得到温度采集模块在发送数据时 工作电流最大为３０ｍＡ 左右，且最大电流持续时间 仅 为 几 毫 秒 ，模 块 处 于 休 眠 状 态 时 功 耗 仅 为 几 毫 瓦 ， 选取２５００ｍＡｈ的锂 电 池，确 保 在 完 全 无 法 充 电 的 情况下也能够正常工作。选用５Ｖ、４００ｍＡ 太阳能 电池板，体积小又能 够 实 现 对 锂 电 池 进 行 快 速 有 效 地充电。
作 者 简 介 ：巩 娜 ，女 ，１９８８ 年 生 ，硕 士 生 ，主 要 从 事 地 面 气 象 观 测 研 究 ，Ｅｍａｉｌ：ｈｇｎａ０３１５＠１２６．ｃｏｍ 收 稿 日 期 ：２０１３ 年 ９ 月 ２ 日 ；定 稿 日 期 ：２０１４ 年 ４ 月 １４ 日
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ 气 象 科 技
在ｏｓａｌ＿ｉｎｉｔ＿ｓｙｓｔｅｍ 函 数 中 调 用 ｏｓａｌＩｎｉｔＴａｓｋｓ （）对任务进行初始 化，在 该 函 数 中 为 每 一 个 任 务 分 配了一个ＩＤ 号，在任务切换时指示进入对应的任务 处 理 程 序。ＯｓａｌＩｎｉｔＴａｓｋｓ（）内 各 初 始 化 函 数 的 顺 序 与 函 数 指 针 数 组ｔａｓｋｓＡｒｒ［］中 对 应 的 任 务 顺 序 一 致，保证任务 与ＩＤ 号 一 一 对 应［７］。Ｚ－Ｓｔａｃｋ 简 易 流 程如图１所示。
第 ４２ 卷 第 ５ 期 ２０１４ 年 １０ 月
气 象 科 技 ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１４
基于 ＣＣ２５３０的智能温度传感器节点设计
巩 娜１ 张 素 娟１，２ 雷 勇３ 曹 晓 钟３
（１ 成都信息工程学院 四川 ６１０２２５；２ 中国气象局大气探测重点开放实验室 四川 ６１０２２５； ３ 中国气象局气象探测中心 北京 １０００８１）
图 ３ 温 度 采 集 电 路
１．３ 电 源 电 路 传感 器 节 点 采 用 可 充 电 锂 电 池 进 行 供 电，电 源
电路主要由太阳 能 电 池 板、充 电 管 理、锂 电 池、放 电 管 理 和 电 压 转 换 组 成 ，如 图 ４ 所 示 。
图 ２ 硬 件 总 体 设 计
图 ４ 电 源 电 路
（ＨＡＬ）提 供 各 种 硬 件 模 块 的 驱 动，包 括 定 时 器 Ｔｉｍｅｒ，通 用 Ｉ／Ｏ 口 ＧＰＩＯ，通 用 异 步 收 发 传 输 器 ＵＡＲＴ，模数转换 ＡＤＣ 的 应 用 程 序 接 口 ＡＰＩ，提 供 各种服务的扩展集。
本设计 主 要 用 到 ＣＣ２５３０Ｆ２５６ 的 ＡＤＣ 模 数 转 换、ＰＣＦ８５６３实时钟芯片Ｉ２Ｃ 通信等部分。因此，修 改了 ＨＡＬ 硬件 抽 样 层 的 代 码，移 除 本 系 统 中 硬 件 电路未使用 的 元 素 接 口 函 数 （包 括 键 盘、ＬＣＤ 显 示 屏和多的 ＬＥＤ 指示 灯 等）；并 添 加 本 系 统 中 所 需 的 硬件接口 函 数，包 括 ＰＣＦ８５６３ 实时 钟 芯 片Ｉ２Ｃ 通 信 接口、ＡＤＣ 输 入 接 口 操 作 函 数。在 ｈａｌ＿ｂｏａｒｄ＿ｃｆｇ．ｈ 进行相应预编译及硬件引脚定义。 ２．３ Ｚ－Ｓｔａｃｋ协议栈 ＡＰＰ 应用层实现 ２．３．１ 采 集 部 分 软 件 实 现
１ 温 度 传 感 器 硬 件 设 计
１．１ 电 路 总 体 设 计 采用 ＣＣ２５３０ 作 为 主 控 芯 片，ＰＴ１００ 作 为 温 度
传感器［８］，实现对温度要素的采集和无线传输，使 用 锂电池进行供电并配有太阳能板可对其进行充电， 时钟芯片 ＰＣＦ８５６３ 为 数 据 提 供 实 时 时 钟。 在 芯 片 的选取和硬件电路的设计上都充分考虑了低功耗， 调理电压控制电路可以实现只在采集的时候对采集 电路供电，加 上 ＺｉｇＢｅｅ芯 片 自 身 的 休 眠 功 能，使 得 整体模 块 平 均 功 耗 在 １０ ｍＡ 左 右，最 高 功 耗 在 ３０ ｍＡ 左右。其总体设计思路如图２所示。
树 状 网 络 拓 扑 结 构 中 有 ３ 种 节 点 ，协 调 器 节 点 、 路由节点和终端节点。协调器节点是每个网络必须 具备的它在上电启 动 时 建 立 网 络，路 由 节 点 有 允 许 其 他 网 络 设 备 加 入 、多 跳 路 由 、协 助 电 池 供 电 的 子 节 点通信、自己作为终端节 点 应 用 等 功 能 。 ［１２］ 终 端 节 点向路由节点传递 数 据，可 以 选 择 工 作 在 睡 眠 或 唤 醒模式。
太阳能电池板采集光能并将其转换为电能存储 在锂电池 中，通 过 由 锂 电 池 充 电 管 理 芯 片 ＣＮ３０６３ 组成充电控制电路 对 锂 电 池 进 行 充 电 科 技 第 ４２ 卷
ＴＩ 公 司 的 ＣＣ２５３０Ｆ２５６ 拥 有 ２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 兼 容 无 线 收 发 器，增 强 型 工 业 标 准 ８０５１ ＭＣＵ，８ＫＢ ＲＡＭ，２５６ＫＢ 系 统 可 编 程 ＦＬＡＳＨ，同 时拥有５通道 ＤＭＡ，３ 个通用定时器（１ 个 １６ 位、２ 个８位），８路输入并可配置的 １２位 ＡＤＣ，２ 个支持 多种串行通信协 议 的 ＵＳＡＲＴ 等 强 大 的 外 围 设 备。 无线 收 发 电 路 实 现 简 单，ＣＣ２５３０ 射 频 收 发 端 外 加 匹配网络 和 ＳＭＡ 天 线 即 可 实 现 ＺｉｇＢｅｅ 收 发 硬 件
２ 温 度 采 集 模 块 软 件 设 计
２．１ 通 信 方 式 选 择 ＺｉｇＢｅｅ技术网络有两 种 网 络 拓 扑 结 构：星 型 网
络拓扑结构和对等网络拓扑结构。星型网络拓扑结 构由一个 ＰＡＮ 主协调器和多个从设备组成网络结 构；对等网络拓扑结 构 主 要 有 网 孔 拓 扑 网 络 结 构 和 树簇拓扑网络结构，它也有一个 ＰＡＮ 主设备，在 该 网络中的任何一个在通信范围内的设备都可以与其 他的 设 备 进 行 通 信 。 ［１１］ 在 ＺｉｇＢｅｅ 网 络 拓 扑 结 构 中，树型网络结构 相 对 简 单，更 容 易 操 作，且 节 省 能 源 ，本 设 计 采 用 树 状 网 络 拓 扑 结 构 。
电路。ＣＣ２５３０Ｆ２５６还有一 个 显 著 的 特 点 就 是 低 功 耗，它 有 多 种 运 行 模 式，在 电 源 管 理 模 式 ２（睡 眠 定 时器运行）功耗为１μＡ，在 电 源 管 理 模 式 ３（外 部 中 断 唤 醒 ）功 耗 仅 为 ０．４μＡ［３］。