摘  要：嵌入式系统和无线通信技术的发展，为无线传感器网络的工业应用提供了技术支持。本文基于ZigBee协议，以无线温度变送器的设计为实践背景，从硬件和软件两个方面介绍采用K型热电偶、CC2430嵌入式系统来研发无线变送器的方法，讨论无线传感器网络终端节点的组成结构、实施技术，分析其核心模块的设计和实现细节。

    关键词：无线传感器网络；温度变送器；嵌入式系统

    Abstract：The development of the embedded system and wireless communication technique provides a good technical support for the application of wireless sensor networks in industry.In this paper，based on the ZigBee protocal and practical background of the designation of wireless temperature transducer，the design and implement method of wireless transducer using K-Thermocouple and CC2430 embedded system is given from both hardware and software.We discuss the architecture of wireless sensor networks’terminal nodes and implementation technique.Finally，we make an analysis of the details of the core module design and realization of the wireless temperature transducer.

    Key words：Wireless Sensor Networks；Temperature Transducer；Embedded System

 

    近年来，短程无线通信的RF嵌入式芯片不断涌现，适用于工业应用的相关协议及其标准纷纷推出，为无线变送器等设计和无线传感器网络的工业应用提供了技术支持和实现手段。针对工业应用场合在线采集和传输实时数据、工艺参数、设备状态等需求，本文以测温装置的设计为背景，探讨一种以K型热电偶为温度传感器、结合无线传输技术、采用CC2430嵌入式系统来设计和制作无线温度变送器的方法。

     IEEE 802.15.4是IEEE确定的低速率、无线个域网标准，它定义了物理层和介质访问层。物理层规范确定了在2.4GHz以250 kbps的基准传输率工作的低功耗展频无线电信号标准；介质访问层规范定义了在同一区域工作的多个符合IEEE 802.15.4标准的无线电信号如何共享空中通道。然而，仅定义物理层和介质访问层并不能保证不同设备间的对话。而建立在IEEE 802.15.4标准之上的ZigBee，建立了基于IEEE 802.15.4标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，其标准满足国际标准化组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型，包括IEEE 802.15.4协议制定的物理层和介质访问层标准、由ZigBee联盟所制定的网络层和部分应用层标准以及由用户定义的用户层。以此允许不同厂商制造的设备在符合标准的前提下可以实现相互对话。

     CC2430是符合IEEE 802.15.4规范的2.4 GHz射频收发器芯片，它将射频单元与工业级加强版8051内核、Flash存储器集成在一块SoC芯片内部，提高了集成度、减小了芯片间干扰。其主要参数为：8KB RAM、32～128KB FLASH、工作频带范围2.400～2.4835 GHz、工作电压2.1V-3.6V；采用直序扩频方式、O-QPSK调制、最高数据传输率可达250 kbps；超低电流消耗（RX：27mA TX：27mA）、高接收灵敏度（-99 dBm）、高抗邻频道干扰能力（39 dB）；内部集成有VCO、LNA、PA以及AES128处理器、8路A/D转换器、电池监控器、温度传感器、双串口、看门狗、CSMA/CA等模块。非常适合要求低功耗、低成本的开发项目选用。另外，它以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构的认可。它结合全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了其有效的ZigBee解决方案。

    1.3.1  CC2430应用电路

    CC2430的应用电路如图1所示。CC2430的PIN1-6、8-9、11-18、43-46、48为21个可编程的I/O引脚，其中P0、P1是完整的8位口，而P2口只有5个可使用的位，通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使P2口的这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。PIN7、20、23、41、47为电源引脚，接至VCC。PIN24为1.8V电压输出端，连接至PIN25、27-29、30、31、33、35-38、39、40、42引脚，分别为模拟部分的前置放大、功放、压腔振荡器、滤波器、预定标器、混频器等提供精准的电源电压。PIN21-21脚连接MCU的32 MHz的主晶振，PIN43-44引脚连接32.768 kHz辅助晶振。PIN32和34分别为射频发射和接收引脚。PIN10为复位引脚，PIN22连接偏置电阻。

     在实际应用时，需要注意：

    （1）调试端口不能仅仅连接P2.1和P2.2，还须将复位引脚、电源、地皆引出方可。

    （2）该芯片本振频率为32MHz，比常规51芯片高，且存在2.4 GHz射频信号，故电源去耦相当关键。去耦电容值不能照搬51系列取0.1 uF，而应根据相应管脚的耦合频率取值，每一路电源都应有相应的去耦电容。

    （3）晶振的取值应在考虑寄生电容后予以调整。

    （4）CC2430片内虽集成有温度传感器，但这个温度传感器误差高达±2℃，只适用于要求较低的民用测量，如建筑内温度测量等。

    （5）CC2430片内的8路A/D精度虽然达到了14 bit无误码输出，但其输入阻抗较低。

    （6）CC2430芯片底部为屏蔽地，必须严格接地。绘制PCB板时应打孔以便焊接时接地。

    1.3.2  射频天线的选择和参数匹配

    CC2430可使用PCB板载天线或单极天线。PCB板载天线是指通过计算直接在PCB板上绘制相应的图形来感应电波、接收信息，也称微带天线。单极天线是一种谐振天线，可以把它看作是偶极天线的一臂，而另一臂则是假设的地平面。由一个在有线导体的地平面上具有 波长的垂直元件构成。

    从理论上说，在不带外壳的情况下，微带天线可以达到更好的效果。但是需要设计相应的BALUN电路和对铜箔进行精确的计算和布局。通常，工业仪表一般安装在金属壳体内，微带天线的效果将大打折扣。而使用单极天线，其电路简单、比较容易实现，并可使用中间连接导线引出至表壳外的合适位置。

    射频输入/输出电路中的信号属于2.4GHz频段，在阻抗匹配方面要求较高，设计的电路需要符合天线的阻抗匹配。图2所示电路中的电感、电容参数依次为：L2使用5.6nH，L3、L1使用7.5nH，C20、C21均为5.6pF，C22、C19均为0.5pF，以这样的电路设计可以匹配阻抗50Ω的天线。

 

    无线温度变送器的硬件结构框图如图3所示。传感器将采集到的信号经放大电路放大后，传送至A/D转换芯片，电压基准为A/D芯片提供比较的基准。A/D将模拟量转换成数字量后送MCU，MCU视需要对照温度补偿端测得的参数对A/D转换数据给予温度补偿。在实际的无线传感器网络应用时，无线温度变送器在接收到协调器相关指令后，通过射频天线发送至上级路由节点或协调器。存储单元负责存储查表法修正曲线所需的数据表格。

    将组成无线温度变送器的PCB架构设计成两块堆叠式，上部是由MCU、射频部分和天线组成的母板，下部是由采样、放大、A/D转换部分等组成的数据采集板，中间以接插件连接。如此布置的考虑有三：首先2.4 GHz高频容易产生干扰，空间的隔离有助采样、A/D部分处于较好的工作环境；其次分离式的结构可在以后替换不同种类的前置电路，再者市场所提供外壳横向安装面积较狭小，用纵向空间扩展来弥补横向之不足。考虑到今后扩展的便利以及MCU口线的节省，系统内部所有芯片选用SPI片间总线方式连接，多余的口线连至PCB板接插件。

 

    K型热电偶将测量端和冷端之间的温度差转化为毫伏级的输出信号，如温度变送器的温差采集范围为-60～920℃，则对应的电压毫伏信号为-2.200～38.080mV。

 

    电源芯片采用的是低压降，150mA线性整流芯片ADP1710，可从2.5V～5.5V电压输入得到150mA输出电流，输出可为0.8～5.0V调节输出，或者是3.3V固定输出。考虑到电路设计和采用电池供电等情况，在此采用其3.3V固定输出的用法。数据采集板与CC2430母板的接口有两个作用：一个是3.3V供电接地，另一个是SPI数据总线接口。

    CC2430母板上的核心芯片CC2430通过对数据采集板上的AD7792和AD7814进行操作得到温度信号。SPI总线上以CC2430为主控芯片，AD7792和AD7814为附属芯片。定义CC2430的P1口为SPI总线选用接口，其中的P1.0为MISO主入/从出信号；P1.1为SCLK时钟信号；P1.2为AD7814片选信号；P1.3为MOSI主出/从入信号；P1.4为AD7792片选信号。图4示意了数据采集板的基本电路原理。

     2.2.1  放大电路设计

    传统设计方式是在A/D前端设置信号调理电路，现代微电子技术的发展使诸如滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等原属信号调理电路完成的工作都可用软件实现，以简化设计、降低成本。从考量放大电路本身的信号放大功能、阻抗和精度等综合考虑，选用运放AD627。其供电电压+2.2 V～±18 V，最大工作电流85 μA。仅需一个电阻即可实现5～1000倍增益，增益精度0.1%。最大输入失调电压125 μV，最大温漂1 μ/℃，最大输入偏置电流10 nA，共模抑制比CMRR=77 dB（G=+5）。其实际应用如图5所示。

    选用AD627作为运放的主要原因是其使用上的灵活，AD627可在使用单电源的情况下接入双路差分信号。其PIN6为调整脚，外接偏置电压，通过对PIN6引脚偏置电压的设置，可以使输出电平位移，调整至A/D的最佳输入范围。AD627的增益放大倍数可依照公式Gain=5+（200*kΩ/RG）计算，其中RG为增益调整电阻阻值。

     2.2.2  温度补偿电路和基准电路

    考虑到传感器需要进行温度补偿，在设计中增添了一块10 bit数字温度传感芯片AD7814，可直接通过SPI总线输出二进制数字温度信号。其测温精度±0.25℃，测量误差±2℃，可满足一般的温度补偿需求。

    基准芯片是A/D比较的基础，直接影响到A/D的转换精度，故应选择精度较高、温漂较小的型号。本设计中选用AD127，精度0.12%，最大温漂10 PPM/℃，可输出稳定的1.25 V基准电压。并采用两个电容分别为基准信号至A/D和运放基准端之间的去耦电容。

    变送器的工作程序是在Figure8的ZigBee协议栈基础上编写的。此协议栈是以一个OSAL操作系统为核心，结合大量API运行的。OSAL是一种任务调度机制，它是通过对任务的事件触发来实现任务调度的。每个任务都包含若干个事件，每个事件都对应一个事件号。当一个事件产生时，对应任务的Event就被设置为相应的事件号，这样事件调度就会调用相应的任务处理程序。系统任务调度流程如图6所示。

    CC2430通用接口和AD7792的初始化在系统的初始化中完成，而对温度信号的采集、数据处理和无线传输则可由一个事件形式驱动完成。系统以固定的时间为周期循环运行此事件。在其程序中使用查表法处理数据，其基本方法是根据热电偶毫伏信号与温度值对应表在内存中建立一个一维的A/D转换代码值与温度值的对应数组，通过程序对数组单元的操作完成数据处理。

 

    接口和AD7792的初始化在所设计的void TemperTrt_Init（byte task_id）程序中进行，对温度的数据处理和发送在void TemperTrt_SendTheTemper（void）程序中进行，程序流程图如图7所示。程序按照设定的固定周期执行此事件，循环将数字量的温度进行发送，实现了无线温度变送器的功能。

    通过在实验室中对无线温度变送器进行的温度测试，在温差采集范围为-60℃～920℃范围内，其测量误差小于±5‰，达到设计要求；通过与所组成的ZigBee网络通信，其效果达到了无线通信的可靠性、正确性要求。

    针对目前工业现场中无线短程传感器网络的不断发展和工业上对无线变送器的需求，本文结合现有的无线短程通信协议和嵌入式系统，设计基于无线短程协议ZigBee技术的K型热电偶的无线温度变送器。该无线温度变送器将无线短程通信技术与工业用的温度采集技术结合，通过数据处理技术的优化，提高了温度采集精度，并降低了无线温度变送器的功耗。相信，随着无线传感器网络的工业应用，必将对信息化和工业化的两化融合和节能减排起到积极作用。

 

     参 考 文 献

    ［1］彭瑜.一种低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协议—ZigBee［J］.自动化仪表.2005，26（5）：1-4.

    ［2］Analog Devices.150 mA，Low Dropout，CMOS Linear Regulator ADP1710/ADP1711.［DB/OL］.www.analog.com/zh/index.html.2006.

    ［3］Texas Instruments.User Manual Rev1.2 SmartRF CC2430ZDK ZigBee Development Kit Pro［DB/OL］.http：//www.TI.com/，2005，12.25-26.

    ［4］Texas Instruments.Z-Stack User's Guide For Chipcon CC2430ZDK［DB/OL］.http：//www.TI.com/，2006，2.3-4.

    ［5］凌志浩，周怡颋，郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究［J］.华东理工大学学报：自然科学版.2006，32（7）：801-805.

                                                     ——转自《自动化博览》