第5章 无线传感器网络SoC系统及其应用

物联网武奇生第五章无线传感器网络SoC及其应用

本章概述：5.1无线SoC片上系统CC2530概述5.2CC2530芯片主要特点5.3CC2530芯片功能结构5.48051CPU介绍5.5CC2530的主要外部设备5.6应用案例——基于物联网的交通流仿真平台5.7应用案例——物联网智能家庭实景系统5.8本章小结5.1无线SoC片上系统CC2530概述CC2530是TI（德州仪器）公司推出的用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。项目CC2430CC2530Features微控制器增强型8051增强型8051Flash32/64/128kb32/64/128/256kb时钟损失检测无有T1信道数35封装QLP48QFN40大小7mmx6mmx引脚4840运行温度范围-40到+-40到无线电特性敏感性（dBm）-92-97最大发射功率（dBm）0(1mw)+4.5（2.82mw）最小发射功率（dBm）-3(0.50mw)-8（0.16mw）链路预算92101.5最大发射功率时的误差向量幅度11%2%表5-1CC2530与CC2430参数比较低功耗工作电压2.0-3.6V2.0-3.6VRX工作电流27mA24mATX工作电流（0dBm）27mA29mATX工作电流（+4.5dBm）无34mACPU工作电流（32MHz）10.5mA6.5mAPM1活动4us4usPM2/3活动0.1ms0.1ms外部时钟输入启动时间0.5ms0.3ms续上表5.2CC2530芯片主要特点

CC2530采用增强型8051MCU，具有32/64/128/256KB内存，和8KBSRAM等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈。CC2530芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用一个8位增强型8051MCU，具有32/64/128/256KB可编程闪存和8KB的SRAM，还包含了模拟数字转换器（ADC）和4个定时器（Timer）、AES加密解密内核、看门狗定时器（WatchDogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnReset）以及21个可编程I/O引脚。图5-1CC2530芯片结构示意图CC2530芯片的主要特点如下：RF/布局–适应2.4GHzIEEE802.15.4的RF收发器–极高的接收灵敏度和抗干扰性能–可编程的输出功率高达4.5dBm–只需极少的外接元件–只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要–6mm×6mm的QFN40封装–适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：ETSIEN300328和EN300440（欧洲），FCCCFR47第15部分(美国)和ARIBSTD-T-66。低功耗

–主动模式RX（CPU空闲）：24–主动模式TX在1dBm（CPU空闲）：29–供电模式1（4μs唤醒）：0.2–供电模式2（睡眠定时器运行）：1–供电模式3（外部中断）：0.4–宽电源电压范围（2V–3.6V）微控制器

–优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核–32/64/128/256KB的系统内可编程闪存–8KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力–支持硬件调试外设

–强大的5通道DMA–IEEE802.5.4MAC定时器，一个16位定时器，一个8位定时器–IR发生电路–具有捕获功能的32kHz睡眠定时器

–硬件支持CSMA/CA–支持精确的数字化RSSI/LQI–电池监视器和温度传感器–具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC–AES安全协处理器–2个支持多种串行通信协议的强大USART–21个通用I/O引脚（19×4mA，2×20mA）–看门狗定时器5.3CC2530芯片功能结构

CC2530芯片采用6mm×6mm的QFN40封装模式，共有40个引脚，图5-2为其引脚示意图。其中，暴露的接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面，保证芯片接地性能良好。CC2530芯片的40个引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2530片上系统集成了CC2520RF收发器、增强型工业标准8位8051MCU，另外还具备直接存储器访问（DMA）功能，可以用来减轻8051CPU内核传送数据操作的负担，从而实现在高效利用电源的条件下的高性能。只需要CPU极少的干预，DMA控制器就可以将数据从诸如ADC或RF收发器的外设单元传送到存储器。图5-2CC2530引脚示意图5.48051CPU介绍

针对协议栈、网络和应用软件对MCU处理能力的要求，CC2530包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，时钟频率为32MHz。由于更快的执行时间和通过使用除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2530增强型8051内核，具有8倍于标准8051内核的性能。CC2530包含一个DMA控制器。8KBSRAM，其中的4KB是超低功耗SRAM。CC2530集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作。CC2530也集成了可用于用户自定义应用的外设。每个时钟周期为一个机器周期，而标准8051中是12个时钟周期为一个机器周期。具有除去被浪费掉的总线状态的方式。5.4.1存储器8051CPU有4个不同的存储空间。分别为代码（CODE）：16位只读存储空间，可以直接或间接被单个的CPU指令访问。该空间的低128字节可以直接或间接访问，而高128字节只能够间接访问。如图6-3所示。数据（DATA）:8位可存取存储空间，可以直接或间接被单个的CPU指令访问。该空间的低128字节可以直接或间接访问，而高128字节只能够间接访问。外部数据（XDATA）：16位可存取存储空间，通常需要4~5个CPU指令周期来访问，如图5-4所示。特殊功能寄存器（SFR）：7位可存取寄存器存储空间，可以被单个的CPU指令访问。图5-3程序存储空间及其映射图5-4片内数据存储空间及其映射1.存储器映射图与标准的8051存储器映射图不同之处有两个方面:为了使得DMA控制器能够访问全部物理存储空间，全部物理存储器都映射到XDATA存储空间；代码存储器空间可以选择，因此全部物理存储器可以通过使用代码存储器空间的统一映射到代码空间。2.存储器空间外部数据存储器空间代码存储器空间数据存储器空间特殊功能寄存器空间3.数据指针CC2530有两个数据指针（DPTR0和DPTR1），主要用于代码和外部数据的存取。例如：MOVCA,@A+DPTRMOVA,@DPTR数据指针选择位是第0位。如表6-1所列，在数据指针中，通过设置寄存器DPS（0x92）就可以选择哪个指针在指令执行时有效。两个数据指针的宽度均为两个字节，存储于特殊功能寄存器中，详细描述如表6-2所示。位名称复位读/写描述7:1-0x00R0不使用0DPS0R/W数据指针选择，用来使选中的数据指针有效0：DPTR0：DPTR1表5-1选择数据指针位名称复位读/写描述DPH0(0x83)-DPTR0的高位字节7:0DPH0[7:0]0R/W数据指针0，高位字节DPH0(0x82)-DPTR0的低位字节7:0DPH0[7:0]0R/W数据指针0，低位字节DPH0(0x85)-DPTR1的高位字节7:0DPH0[7:0]0R/W数据指针1，高位字节DPH0(0x84)-DPTR1的低位字节7:0DPH0[7:0]0R/W数据指针1，低位字节表5-2两个数据指针的高低位字节4.外部数据存储器存取CC2530提供一个附加的特殊功能寄存器MPAGE(0x93)，详细描述见表6-3。该寄存器在执行指令“MOVXA,@Ri”和“MOVX@R,A”时使用。MPAGE给出高8位的地址，而寄存器Ri给出低8位的地址。位名称复位读/写描述7:1MPAGE[7:0]0x00R/W存储器页，执行MOVX指令时地址的高位字节表5-3MPAGE选择存储器页5.4.2特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）用于控制8051CPU核心和外部设备。一部分8051CPU核心寄存器与标准8051特殊功能寄存器的功能相同；另一部分寄存器不同于标准的8051的特殊功能寄存器。它们用作外部设备单元接口，以及控制RF收发器。特殊功能寄存器控制CC2530的8051内核以及外设的各种重要的功能。大部分的CC2530特殊功能寄存器与标准的8051特殊功能寄存器功能相同，只有少部分与标准的8051的不同。不同的特殊功能寄存器主要是用于控制外设以及射频发射。5.5CC2530的主要外部设备5.5.1I/O端口CC2530包括3个8位输入输出端口，分别为P0，P1，P2。P0和P1端口有8个引脚，P2端口有5个引脚，总共就有21个I/O引脚。这些引脚都可以用作于通用的I/O端口，同时，通过独立编程还可以作为特殊功能的输入/输出。5.5.2DMA控制器CC2530内置一个存储器直接存取（DMA）控制器。该控制器可以用来减轻8051CPU内核传送数据时的负担，实现CC2530能够高效利用电源。只需要CPU极少的干预，DMA控制器就可以将数据从ADC或RF收发器传送到存储器。DMA控制器控制所有的DMA传送，确保DMA请求和CPU存取之间按照优先等级协调、合理的运行。DMA控制器含有若干可编程设置的DMA信道，用来实现存储器到存储器的数据传送。5.5.3AES（高级加密标准）协处理器CC2530数据加密是由支持高级加密标准的协处理器完成的。AES协处理器具有下列特性：支持IEEE802.15.4的全部安全机制。ECB（电子编码加密）、CBC（密码防护链）、CBF（密码反馈）、OFB（输出反馈加密）、CTR（计数模式加密）和CBC-MAC（密码防护链消息验证代码）模式。硬件支持CCM（CTR+CBC-MAC）模式。128位密钥和初始化向量（IV）/当前时间（Nonce）。DMA传送触发能力。5.6应用案例——基于物联网的交通流仿真平台

本节将具体介绍CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统。整个CHD1807交通流监控系统由速度、车距、循迹等传感器群、车车通信节点和RFID货物信息管理芯片以及监控终端上位机组成，系统结构框图如图5-6所示。在整个交通流仿真系统中，由多个货物装载小车在规定跑道范围内完成自组网，各小车搭载的循迹、速度等传感器能够实时准确的检测到各辆车的状态，并且能够相互通信交换数据。在自组网的基础上，各车可以将采集到的数据进行实时处理，然后通过单跳或者多跳的方式发送到Coordinator节点，经过该节点将数据传送给监控上位机，上位机对数据进行处理后决定是否抬起栏杆给相关小车放行。5.6.1系统总体介绍图5-6交通流仿真系统结构框图整个系统包括两大模块：RFID货物信息管理系统：货物信息的管理。物流定位系统：实现货运车辆定位及跟踪功能。RFID货物信息管理系统主要功能包括：管理员账户管理、货物信息管理和栏杆机控制三部分。该系统能够根据模拟小车实时传回的数据进行分析，并能够以图文形式显示相应指标。物流定位系统主要实现货运车辆的实时位置跟踪，以便随时掌握车辆信息进行实时控制。另外，各模拟小车节点可以自组网，具有无线收发功能。传感器节点要求功耗低，具有开启、睡眠、休眠等多种工作方式，并且能够支持ZigBee协议。5.6.2交通流仿真系统布设图5-7CHD1807交通流仿真平台布设图5.6.3系统硬件研制CHD1807型基于物联网的交通流仿真平台的硬件部分主要由两部分组成，分别是：循迹小车和RFID货物管理信息管理系统。5.6.3.1循迹小车研制

循迹小车是CHD1807型基于物联网的交通流仿真平台中模拟交通流的主要工具。循迹小车共包括控制模块、电源管理模块、通信模块、循迹模块、避障模块、导航模块等6部分。图5-13循迹小车5.6.3.2货物信息管理系统硬件研制货物信息管理系统主要通过对RFID产品进行开发，定制一套专用的运输货物信息管理系统，实现对货物信息的日常管理。基本功能包括：货物信息采集、存储、查询、车辆放行控制、报警提示等功能。该系统的主要硬件包括：RFID标签、RFID一体机、栏杆机控制器、栏杆机等。5.6.4系统调试CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统搭建时，根据实际情况，进行了4辆循迹小车的组网运行实验。上位机的控制系统软件采用VC++编写，数据库采用SQLSERVER2005。系统中栏杆机及RFID读写装置的数据线都要连接到计算机串口。CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统开始仿真实验先打开四辆循迹小车，使得小车两个一组在特定轨道上运行，每个小车都载有RFID标签。四辆小车运行开始后首先完成自动组网并向系统控制计算机发回车辆状态信息，完成和控制中心的信息交互。当循迹小车载着RFID标签通过RFID一体机天线下方时候，系统自动读取并判断标签信息是否合法。如果合法，则自动控制栏杆机抬起，放行车辆。如果不是合法车辆则自动拦停车辆。CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统控制软件主要功能有以下几个方面：货物信息采集信息存储信息查询车辆放行控制其他功能：帐户信息管理、系统参数设置、统计结果显示、列表显示等。系统包含模块：登录模块、菜单模块、货物信息管理、RFID参数配置等模块。系统调试主要步骤如下：1.系统控制软件登陆图5-14控制系统登陆界面图5-15ip地址查询图5-16系统管理员列表图5-17登录错误提示图5-18控制系统主界面2.RFID及栏杆机配置进入主界面后，首先单击“栏杆机控制”区域的按钮，如果设备连接正常，可以看到串口号列表出现两个可用串口，如图5-19所示。其中一个为RFID读写器串口、一个为栏杆机控制器串口。图5-19串口配置对RFID所用设备的串口COM3波特率等参数进行设定后，点击如图5-20所示的连接按钮。如果连接成功则会出行如图5-21所示的信息。图5-20串口参数图5-21串口配置成功提示信息3.货物信息管理

货物信息设置子菜单包含货物信息的增加、修改、删除、查询、更换图片、预览大图等功能。其界面如图5-22所示。图5-22货物信息设置界面图5-23货物信息查询列表图5-24相应货物信息图5-25货物通过记录4.导航模块导航系统分为导航终端和PC端两部分，终端通过GPS或者北斗定位模块获得目前所处的位置，然后通过四辆小车的组网传递至PC机接收端，继而将定位信息接入GoogleEarth完成定位显示功能。CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统中的导航终端采用北斗系统收集循迹小车位置信息，该芯片直接安装在循迹小车上。收集到的信息经过CC2530传输至接收端控制PC机，PC机根据接收到的信息调用地图以显示循迹小车的实时位置。图5-26所示为PC机接收循迹小车位置信息的CC2530设备，图6-27所示为循迹小车实施位置显示。图5-26位置接收设备图5-27循迹小车实时位置5.7应用案例--物联网智能家庭实景系统

5.7.1物联网智能家庭实景实训系统智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。通过在实验室搭建一个包括基于2.4G无线传感器网络的各类监测以及家庭电器自动控制在内智能家庭实景，了解到物联网技术在现实生活中的实际应用。了解各类传感器及家庭电器智能化的使用及改造方法，使学生掌握物联网技术在智能家庭，智能电器控制，智能楼宇等领域的工程改造方法以及技术开发方法。5.7.2家庭室内监控部分室内防盗监测：在室内布置无线节点及人体红外传感器，对于非法入侵行为进行有效监测室内温湿度监测：在室内布置无线节点及温湿度传感器，实时显示室内温度，湿度数据及温湿度场室内光照度监测：在室内布置无线节点及光敏传感器，实时监测光照强度并可根据预设程序控制窗帘开关及灯光强度雨滴监测：在室内布置无线节点及雨滴传感器，实时监测降雨信息并可控制自动晾衣杆伸缩火灾监测：在室内布置无线节点及烟雾传感器，实时监测家庭中可能出现的火灾并报警可燃气体泄漏监测：在室内布置无线节点及可燃气体及可燃气体传感器，实时监测室内天然气，煤气泄漏等情况并报警。物联网网关系统：使用ARM系统作为物联网网关系统，接收并处理所有无线传感器网络采集的数据并进行数据处理、下行控制以及与服务器的同步数据更新。智能家庭实景系统如图5.28所示。图5-28智能家庭实景系统现场调试5.7.3智能家庭控制软件

智能家庭控制软件如图5.29所示智能家庭监测及控制软件（ARM端