基于CC2530的水质监测WSNs网络节点设计

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2024年6月9日发(作者：)

基于CC2530的水质监测WSNs网络节点设计

童晓红;陈玲;徐伟;李恒胜;杨磊

【摘 要】针对水质监测的需求,设计出一种基于CC2530芯片的MSNs网络节点.

节点通过ZigBee协议实现自组网功能,并接受ZigBee协议栈传输的控制指令,对

水质常用传感器实行分信号工作,满足对水质环境的基本监测功能.

【期刊名称】《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(032)002

【总页数】5页(P48-52)

【关键词】WSNs;ZigBee;水质监测;节点设计

【作 者】童晓红;陈玲;徐伟;李恒胜;杨磊

【作者单位】合肥职业技术学院计算机应用技术系,合肥238000;合肥职业技术学

院计算机应用技术系,合肥238000;合肥职业技术学院计算机应用技术系,合肥

238000;合肥职业技术学院计算机应用技术系,合肥238000;安徽斯玛特物联网科

技有限公司,合肥238000

【正文语种】中 文

【中图分类】TN92

水质自动监测系统在国外起步较早，系统相对比较成熟。自20世纪70年代，美

国、日本、英国、法国等就已经开始将水质自动监测系统应用于江、河、湖、库的

水质监测上。监测项目从最初常规五项参数（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度）

已经发展到了众多项目参数。目前，美国、英国、日本、荷兰等国的水质自动监测

系统已有相当规模，并被广泛应用，已纳入网络化的“环境评价体系”和“自然灾

害防御体系”，规模与系统高度集成，关键技术未公开且网关与传感器引进成本高，

不适用国内推广。

国内水质自动监测系统建设起步较晚。从1988年在天津设立第一个水质连续自动

监测系统至今，最具代表的是投资近2亿元建设的“感知太湖、智慧环保”项目。

截至2014年全国已经发展成近百家生产废水在线自动监测系统的企业（含集成

商），虽然与国外水质监测系统在系统集成、监测方法与设备等方面不尽相同，特

点各异，但均属于传感器网络的节点成本高、系统庞大且户外搭建困难、设备后期

运行、维护成本高等缺陷。因此设计开发并采用实时、智能、在线、低成本的传感

器及网关等设备需求是水质监测系统的必然趋势[1]。

WSNs（Wireless Sensor Networks，无线传感器网络）目前在我国水质监测等

领域已得到了普遍的利用，在 WSNs 的网络节点设计上主要采用的方法除了直接

使用国外知名品牌公司的节点外，另一种是在德州仪器CC2530或更高级芯片上

自行设计[2]。直接引进节点系统开发快但价格昂贵、不可定制性、更新及二次开

发难，为此我们采用基于CC2530芯片自行设计。虽然前期开发与应用测试有难

度，但在后期接口扩展、二次开发与升级都较为便利。

CC2530是一款2.4GHz单周期完全兼容8051内核，同时支持ZigBee协议栈

（Z-Stack™）、RF4CE（远程控制系统）、IEEE802.15.4协议[3]的无线射频单片

机，是目前片上系统（SoC）最活泼的集成解决方案。能支持IEEE 802.15.4

MAC层安全、ZigBee 网络层和应用层安全要求的带有128位密钥的AES加密/

解密内核；支持IEEE 802.15.4 MAC或软件中其它时槽的协议、支持多位分辨率

并工作在30kHz或4kHz带宽的ADC通道；中断控制系统优先级有四个，分六

个中断组进行模式转换；8KBSRAM确保传输的数据即使在掉电模式下也能被保

留；32/64/128/256KB四种可选Flash内存块，是专为单片机提供的内电路在线

可编程非易失性程序存储器，并且可映射到XDATA代码和外部数据存储空间进行

保存而且允许页面擦除，除了保持4字节的程序代码、中间变量值和定义的一些

常量以外，非易失性存储器功能主要是允许应用程序在设备重启后再用到这些数据，

例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过完全启动、网络寻找和加入

过程，系统再次加电后就可以直接加入网络中。CC2530是通过一个1.8V低差稳

压器给数字内核、时钟及部分外设供电，通过电源管理及五种不同的复位源来管理

设备不同的供电模式及系统复位，一个内置的看门狗也可以让CC2530 在固件挂

起的情况下复位。上述这些优点为基于WSNs网络网关奠定了结构设计基础[4]。

水质监测系统设计首先是数据采集节点（传感器节点、路由节点、协调器节点）的

数据与网关设备建立WSNs蜂窝网连接并实现数据的实时采集与远程传送。没有

实时精确的节点数据及传送，水质监测就成了无源之水。

2.1 天线及巴伦匹配电路设计

CC2530工作在2.4GHz频率，需要巴伦电路做平衡转不平衡[5]（平衡不平衡转

换器，balun是由“balanced”和“unbalanced”两个词组成的），无线传感器

网络构建及数据传输稳定性与巴伦匹配电路设计的内外置天线有非常直接的关系，

影响较大的涉及射频通道的质量、通信传输距离、SoC系统功耗、收发数据误码

率等。

从IC RF_N，RF_P到balun匹配线到天线，尽量接近TI公司的参考设计，而且

TI在板厚，板材等在参考设计也有提供，器件的选型，摆放的方向TI公司也有规

定，最好根据不同的应用来选择采用哪种天线较合适，不同的材质影响也不一样，

要多次试验才能达到预想的结果。例如PCB天线设计，即使电路设计没有问题，

但不同厚度的PCB板和介质肯定对天线也有影响，线宽、线距、线路的铜厚、介

质层厚、介质层介电系数等都对阻抗有影响：介质层厚与阻值成正比，铜厚与阻值

成反比，线宽与阻值成反比，两线之间的线距与阻值成正比（指叉分阻抗线之间线

距），与线路之上的绝缘漆的厚度成正比。还要考虑阻抗是单线还是叉分，是共面

还是非共面等等与阻抗相关联的因素，倒F天线、螺旋天线类型不同，阻抗值也

不同。而采用市面上的2.4G微型外置SMA接口的杆状天线虽然没有制作工艺的

问题，但设计时片板要合理预留这种天线位置及对其它元器件摆放的影响。以下是

按照TI公司给出的参考设计的天线及巴伦匹配电路，如图2所示[6]。

2.2 晶振电路设计

需要设计两个晶振，实现发射/接收电路正常工作。其中，主时钟晶振采用

32MHz无源晶振，由XTAL2及电容C221和C231组成；从时钟晶振采用

32.768kHz主频，由XTAL1及电容C321和C331组成，起着低睡眠电流消耗和

精确唤醒时间的作用。电路设计如图3所示。

2.3 LED电路设计

LED 电路是由端口直接驱动的，当端口输出低电平的时候，LED被点亮。节点板

上的LED主要用于指示电路的工作状态，如加入网络、正在发送数据等。LED 电

路接口如图 4所示。

2.4 电源电路设计

所设计的协调器采用的是USB供电，部分传感器节点采用5V电源供电而另一部

分则是用2节5号电池供电。5V电压通过电压转换芯片得到3.3V电压。具体电

路如图5所示。

2.5 片载复位电路设计

复位电路是使片上系统的SoC从死锁、休眠、轮循等状态达到系统重新复位功能，

该电路设计是通过按键复位电路实现的，如图6所示[7]。

2.6 USB转RS232串口电路设计

目前大部分电脑与笔记本都没有标配COM串口， USB转串配置线除携带不便外，

对数据传输质量也有影响。而通过串口进行程序的片上系统烧写与测试是必须的。

该电路设计时要考虑到RS232芯片类型（如CP2102、CP2103、PL2303等，这

里以CP2102为例）。电路如图7所示。

2.7 液晶电路设计

设计中采用的是0.96寸蓝色或黄蓝双色OLED128×64图形点阵液晶显示（可显

汉字）模块，具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式、采用IIC/I2C

通信接口驱动（IC最好采用SSD1306）对控制模块进行操作，可以选用杜邦线

（公母头）作为连接线，将模块与底板连接，如图8所示。

2.8 按键电路设计

键盘电路由两个命令按键组成，按键由 CPU 通过直接判断端口电平来判断。电路

图如图9所示。

2.9 仿真器接口电路设计

设计是为应用于开发TI公司CC2530无线片上系统SoC的专用仿真器，不仅能在

线下载，并且可完成在线调试、在线仿真、硬件断点、单步、变量观察，寄存器观

察等全部C51源水平调试的功能，实现对CC2530无线SoC实时在线仿真/调试/

测试。设计中主要考虑设计一个USB 接口连接计算机，一个复位（RESET）按键

以及一根仿真JTAG口，通过该口与一根10芯的下载、调试（DEBUG）、仿真

线连接到RF节点设备上。能通过底板接口实现供电并把程序下载（设计速度控制

在128K bit/s左右）到CC2530所有的节点设备（包括协调器）中。仿真器接口

如图10所示。

2.10 一键还原电路设计

通过底板上的一键还原电路可以实现一次按键（设定按键为S4）即实现将Flash

存储芯片中的程序烧写到CC2530中（烧写过程中LED2会不停的闪烁提醒），

免除了通过仿真器下载程序的繁琐，对于外业维护有很大的方便。在进行一键还原

的时候不要连接仿真器，防止干扰。

2.11 网关与节点完整的电路设计

网关是通过WSNs上的所有终端节点设备、路由节点设备、协调器实现数据的无

线传输[8]，把数字量模块和模拟量模块采集到的数据组成一个数据包，再经过设

定的加密算法加密后[9]，利用网关的GPRS通信功能模块与地面移动通信基站实

现通信（或利用WiFi与无线宽带路由、网关等通信），通过IP协议栈发送给数据

处理中心或云服务器。电路图如图11所示，完整的节点设计图如图12所示。

实验中将表1常用网络节点与协调器进行自组网（本项目测试方法采用简单的点

对点方式，即以终端数据采集节点及协调器节点构建ZigBee网络），协调器对五

种常用的节点组网成功后即进行数据采集与发送实验，并通过网关设备传送到上位

机的数据中心存储、处理与显示，数据采集点来源主要是对水面的环境进行监测数

据，经多次实验与校验，并让系统采集到的数据与人工采集的数据进行比较，其误

差率基本在正常范围内，实验结果证明该节点设计可行、可靠。

本文设计的基于CC2530的水质监测WSNs网络节点及网关设备，通过在节点底

板上加载常规五项传感芯片对水质的水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度等信息

进行采集，采用ZigBee协议进行网络数据收发，完全实现了系统节点及网关硬件

设计。试验结果也表明：基于WSNs的水质监测节点利用协调器组建的ZigBee

网络，通过网关能够实时可靠地采集、处理、分析和传输水质监测数据并在上位机

存储数据，系统能够实现水质实时无线监测功能，为全面系统设计水质监测和远程

预警提供了技术基础支持[10]。

[1] 丁胜建.基于WSN的水质监测系统中ZigBee协议和网关系统的设计与实现

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本文标签： 节点系统监测设计水质