實驗室無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

0 引言

隨著射頻技術(shù)、微電子技術(shù)及集成電路的發(fā)展，無線通信技術(shù)應(yīng)用深入各領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中引入無線通信技術(shù)，可以解決某些如高腐蝕性、現(xiàn)場無法實現(xiàn)明線連接等環(huán)境的數(shù)據(jù)采集問題，克服有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩和維護困難，提高采集系統(tǒng)的適應(yīng)性。藍牙(BLE)4.0作為一種新興的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，主要具有以下特點：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實現(xiàn)實驗室無線信息采集。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、BLE終端節(jié)點、BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點、上位機等部件構(gòu)成，采用BLE4.0的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)收集到一個BLE協(xié)調(diào)器中，并由上位機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示和處理，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集終端主要完成電流、溫度、濕度等參數(shù)的采集;BLE終端節(jié)點主要完成從數(shù)據(jù)采集終端接收數(shù)據(jù)，并通過無線通信方式發(fā)送接收的數(shù)據(jù)，或者接收BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的控制命令進行操控;BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，管理整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，存儲有BLE網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的信息。擔(dān)當(dāng)BLE網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器的角色，主要任務(wù)就是組建和維護一個網(wǎng)絡(luò)，收集BLE網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點發(fā)出的信息，通過RS232接口把數(shù)據(jù)傳到上位機;上位機接收BLE協(xié)調(diào)器節(jié)點傳來的

信息，并處理和顯示數(shù)據(jù)。

1.2 協(xié)調(diào)器與終端器節(jié)點電路設(shè)計

終端節(jié)點電路主要有數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理單元電路、信號指示電路、無線傳輸模塊接口電路、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(shù)據(jù)采集電路要采集的信息含實驗室負載電流、環(huán)境信息(溫度、濕度等)及煙霧濃度信息。系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理單元電路以STC12C25A60S2為核心進行數(shù)據(jù)處理，圖中R9、C4構(gòu)成處理器復(fù)位電路，由X1、C4、C5決定系統(tǒng)時鐘電路，P1、P2為設(shè)計無線傳輸模塊與處理器的電路連接端口，實現(xiàn)處理器與無線收發(fā)模塊CC2540無線數(shù)據(jù)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，主要用來控制實驗室供電和門禁系統(tǒng)。當(dāng)實驗室門禁授權(quán)后，處理器給三極管一個低電平信號，繼電器吸合，給實驗室供電。當(dāng)實驗室內(nèi)出現(xiàn)異常情況時(如電流過大、有煙霧等)，處理器給三極管一高電平，繼電器釋放，切斷實驗室供電。協(xié)調(diào)器節(jié)點電路去除數(shù)據(jù)采集模塊，增加RS232串口轉(zhuǎn)換電路，采用MAX223雙通道轉(zhuǎn)換芯，MAX223的R1OUT引腳接CC2540的P0.2引腳，T1IN引腳接CC2540的P0.3引腳，通過它實現(xiàn)PC綁定數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)命令、節(jié)點信息及網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)或命令的傳輸，從而形成節(jié)點應(yīng)用軟件平臺與協(xié)調(diào)器節(jié)點上位機軟件平臺之間的接口。在系統(tǒng)中，5V為STC12C5A60S2提供電源，3.3V為CC2540無線數(shù)據(jù)傳輸電路提供電源，電源系統(tǒng)由三端線性穩(wěn)壓器U1、U2構(gòu)成。

1.3 無線傳輸模塊電路設(shè)計

由于CC2540將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當(dāng)中，因而簡化了電路的設(shè)計，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計。該電路設(shè)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、天線電路、入網(wǎng)指示電路及復(fù)位電路6部分。接口電路由CC2540的I/O引出，增加無線模塊的通用性;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行濾波，該部分電路參考TI公司濾波電容組設(shè)計;CC2540工作需要兩個時鐘晶振，第一個為32MHz，為無線收發(fā)時鐘;第二個為32.068KHz，為休眠模式提供時鐘。C17和C18為32MHz晶振的負載點電容，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加上一個非平衡變壓器構(gòu)成一個天線電路。由上拉電阻和按鍵組成，實現(xiàn)低電平復(fù)位。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件是功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵，軟件設(shè)計包含傳感器數(shù)據(jù)的采集、終端節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)、及上位機數(shù)據(jù)實時顯示與數(shù)據(jù)管理等。

2.1 協(xié)調(diào)器與終端器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器與終端器軟件的軟件設(shè)計按模塊化的設(shè)計思想來實現(xiàn)，采用語言編程，在IAR集成開發(fā)環(huán)境中完成，主要有信息采集、終端器無線發(fā)送、協(xié)調(diào)器無線收發(fā)等軟件設(shè)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(shè)計

上位機主要實現(xiàn)以下功能：1)通過RS232串口通信完成與外設(shè)的通信;2)數(shù)據(jù)實時顯示;3)數(shù)據(jù)管理的實現(xiàn)。考慮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編寫管理程序。LabVIEW由美國NI公司研制開發(fā)，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)顯示等功能，使整個系統(tǒng)的功能更加完善。和其他編程語言一樣，在LabVIEW中也存在子程序的概念，在LabVIEW中的子程序被稱作子VI。將整個程序劃分為若干模塊，每個模塊用一個或者幾個子VI實現(xiàn)，易于程序的編寫和維護;子VI可以代碼復(fù)用。管理界面軟件程序框圖如圖7所示，表1給出了本系統(tǒng)用到的幾個通信模塊的基本屬性的描述。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試時用3塊BLE模塊和一個作為協(xié)調(diào)器節(jié)點組建無線網(wǎng)絡(luò)。用串口調(diào)試工具查看當(dāng)前的組網(wǎng)信息。當(dāng)節(jié)點設(shè)置好后，開始先查看終端器發(fā)出的信息，圖8示出了運行結(jié)果，顯示當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度與當(dāng)前電流。測試表明本系統(tǒng)運行良好，無線網(wǎng)絡(luò)通信成功。

4 結(jié)束語

文中采用射頻芯片CC2540和微處理STC12C25A60S2設(shè)計了數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了工作頻率為2.4GHz的適合BLE協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合硬件電路的特點和系統(tǒng)的功能要求，編寫了整個系統(tǒng)軟件。本系統(tǒng)操作界面簡便、清晰，具有良好的人機操作界面。但節(jié)點非法侵入、信息破壞的安全問題及構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究仍有很多新的挑戰(zhàn)。