實(shí)驗室無(wú)線(xiàn)數據采集系統的設計

0 引言

隨著(zhù)射頻技術(shù)、微電子技術(shù)及集成電路的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應用深入各領(lǐng)域，數據采集領(lǐng)域中引入無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可以解決某些如高腐蝕性、現場(chǎng)無(wú)法實(shí)現明線(xiàn)連接等環(huán)境的數據采集問(wèn)題，克服有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)麻煩和維護困難，提高采集系統的適應性。藍牙(BLE)4.0作為一種新興的無(wú)線(xiàn)數據通信技術(shù)，主要具有以下特點(diǎn)：工作在2.4GHz的ISM頻段，極低的運行和待機功耗;使用1Mb/s速率以達到最大限制帶寬;AES—128加密等[1，2]。本文基于藍牙4.0實(shí)現實(shí)驗室無(wú)線(xiàn)信息采集。

1 系統硬件設計

1.1 系統構成和工作原理

系統由數據采集器、BLE終端節點(diǎn)、BLE協(xié)調器節點(diǎn)、上位機等部件構成，采用BLE4.0的無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)，把采集到的數據收集到一個(gè)BLE協(xié)調器中，并由上位機實(shí)現對數據的顯示和處理，系統的整體結構如圖1所示。其中數據采集終端主要完成電流、溫度、濕度等參數的采集;BLE終端節點(diǎn)主要完成從數據采集終端接收數據，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送接收的數據，或者接收BLE協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)送的控制命令進(jìn)行操控;BLE協(xié)調器節點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起者，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的規模，存儲有BLE網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)節點(diǎn)的信息。擔當BLE網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器的角色，主要任務(wù)就是組建和維護一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，收集BLE網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)節點(diǎn)發(fā)出的信息，通過(guò)RS232接口把數據傳到上位機;上位機接收BLE協(xié)調器節點(diǎn)傳來(lái)的

信息，并處理和顯示數據。

1.2 協(xié)調器與終端器節點(diǎn)電路設計

終端節點(diǎn)電路主要有數據采集電路、數據處理單元電路、信號指示電路、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊接口電路、按鍵電路、繼電器控制電路及供電電路等。原理圖如圖2所示，數據采集電路要采集的信息含實(shí)驗室負載電流、環(huán)境信息(溫度、濕度等)及煙霧濃度信息。系統由霍爾傳感器采集負載電流、溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度信息、濕度傳感器DHT11采集環(huán)境濕度信息、煙霧傳感器采集煙霧濃度信息;數據處理單元電路以STC12C25A60S2為核心進(jìn)行數據處理，圖中R9、C4構成處理器復位電路，由X1、C4、C5決定系統時(shí)鐘電路，P1、P2為設計無(wú)線(xiàn)傳輸模塊與處理器的電路連接端口，實(shí)現處理器與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2540無(wú)線(xiàn)數據傳輸。其中P1.0、P1.4和P1.1口用于指示網(wǎng)絡(luò )狀態(tài);Q1為繼電器控制電路，主要用來(lái)控制實(shí)驗室供電和門(mén)禁系統。當實(shí)驗室門(mén)禁授權后，處理器給三極管一個(gè)低電平信號，繼電器吸合，給實(shí)驗室供電。當實(shí)驗室內出現異常情況時(shí)(如電流過(guò)大、有煙霧等)，處理器給三極管一高電平，繼電器釋放，切斷實(shí)驗室供電。協(xié)調器節點(diǎn)電路去除數據采集模塊，增加RS232串口轉換電路，采用MAX223雙通道轉換芯，MAX223的R1OUT引腳接CC2540的P0.2引腳，T1IN引腳接CC2540的P0.3引腳，通過(guò)它實(shí)現PC綁定數據、用戶(hù)數據命令、節點(diǎn)信息及網(wǎng)絡(luò )信息數據等數據或命令的傳輸，從而形成節點(diǎn)應用軟件平臺與協(xié)調器節點(diǎn)上位機軟件平臺之間的接口。在系統中，5V為STC12C5A60S2提供電源，3.3V為CC2540無(wú)線(xiàn)數據傳輸電路提供電源，電源系統由三端線(xiàn)性穩壓器U1、U2構成。

1.3 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊電路設計

由于CC2540將8051內核與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊集成到一個(gè)芯片當中，因而簡(jiǎn)化了電路的設計，省去了對單片機與無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片之間接口電路的設計。該電路設計原理圖如圖3所示。該原理圖主要包括3.3V電源濾波電路、芯片晶振電路、天線(xiàn)電路、入網(wǎng)指示電路及復位電路6部分。接口電路由CC2540的I/O引出，增加無(wú)線(xiàn)模塊的通用性;為得到更好的電源性能，電源濾波電路選擇了合適的去耦電容對電源進(jìn)行濾波，該部分電路參考TI公司濾波電容組設計;CC2540工作需要兩個(gè)時(shí)鐘晶振，第一個(gè)為32MHz，為無(wú)線(xiàn)收發(fā)時(shí)鐘;第二個(gè)為32.068KHz，為休眠模式提供時(shí)鐘。C17和C18為32MHz晶振的負載點(diǎn)電容，電容值取決于負載電容的大小。C17和C18的典型值為12pF。電路中采用非平衡天線(xiàn)加上一個(gè)非平衡變壓器構成一個(gè)天線(xiàn)電路。由上拉電阻和按鍵組成，實(shí)現低電平復位。

2 系統軟件設計

軟件是功能得以實(shí)現的關(guān)鍵，軟件設計包含傳感器數據的采集、終端節點(diǎn)數據收發(fā)、協(xié)調器節點(diǎn)數據收發(fā)、及上位機數據實(shí)時(shí)顯示與數據管理等。

2.1 協(xié)調器與終端器軟件設計

協(xié)調器與終端器軟件的軟件設計按模塊化的設計思想來(lái)實(shí)現，采用語(yǔ)言編程，在IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成，主要有信息采集、終端器無(wú)線(xiàn)發(fā)送、協(xié)調器無(wú)線(xiàn)收發(fā)等軟件設計，其流程如圖4、圖5及圖6所示。

2.2 上位機管理界面軟件設計

上位機主要實(shí)現以下功能：1)通過(guò)RS232串口通信完成與外設的通信;2)數據實(shí)時(shí)顯示;3)數據管理的實(shí)現?？紤]到上位機軟件的通用性及可操作性，上位機軟件采用方便快捷的LabVIEW編寫(xiě)管理程序。LabVIEW由美國NI公司研制開(kāi)發(fā)，LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下，對采集到的數據進(jìn)行數據顯示等功能，使整個(gè)系統的功能更加完善。和其他編程語(yǔ)言一樣，在LabVIEW中也存在子程序的概念，在LabVIEW中的子程序被稱(chēng)作子VI。將整個(gè)程序劃分為若干模塊，每個(gè)模塊用一個(gè)或者幾個(gè)子VI實(shí)現，易于程序的編寫(xiě)和維護;子VI可以代碼復用。管理界面軟件程序框圖如圖7所示，表1給出了本系統用到的幾個(gè)通信模塊的基本屬性的描述。

3 系統測試

系統測試時(shí)用3塊BLE模塊和一個(gè)作為協(xié)調器節點(diǎn)組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。用串口調試工具查看當前的組網(wǎng)信息。當節點(diǎn)設置好后，開(kāi)始先查看終端器發(fā)出的信息，圖8示出了運行結果，顯示當前溫度、當前濕度與當前電流。測試表明本系統運行良好，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信成功。

4 結束語(yǔ)

文中采用射頻芯片CC2540和微處理STC12C25A60S2設計了數據信息采集系統，實(shí)現了工作頻率為2.4GHz的適合BLE協(xié)議的無(wú)線(xiàn)數據傳輸。結合硬件電路的特點(diǎn)和系統的功能要求，編寫(xiě)了整個(gè)系統軟件。本系統操作界面簡(jiǎn)便、清晰，具有良好的人機操作界面。但節點(diǎn)非法侵入、信息破壞的安全問(wèn)題及構成較為復雜的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構研究仍有很多新的挑戰。