实验室无线数据采集系统的设计

 0 引言

随着射频技术、微电子技术及集成电路的发展，无线通信技术应用深入各领域，数据采集领域中引入无线通信技术，可以解决某些如高腐蚀性、现场无法实现明线连接等环境的数据采集问题，克服有线网络布线麻烦和维护困难，提高采集系统的适应性。蓝牙(BLE)4.0作为一种新兴的无线数据通信技术，主要具有以下特点：工作在2.4GHz的ISM频段，极低的运行和待机功耗;使用1Mb/s速率以达到最大限制带宽;AES—128加密等[1，2]。本文基于蓝牙4.0实现实验室无线信息采集。

1 系统硬件设计

1.1 系统构成和工作原理

系统由数据采集器、BLE终端节点、BLE协调器节点、上位机等部件构成，采用BLE4.0的无线数据传输技术，把采集到的数据收集到一个BLE协调器中，并由上位机实现对数据的显示和处理，系统的整体结构如图1所示。其中数据采集终端主要完成电流、温度、湿度等参数的采集;BLE终端节点主要完成从数据采集终端接收数据，并通过无线通信方式发送接收的数据，或者接收BLE协调器节点发送的控制命令进行操控;BLE协调器节点是整个网络的发起者，管理整个网络的规模，存储有BLE网络中各个节点的信息。担当BLE网络中的协调器的角色，主要任务就是组建和维护一个网络，收集BLE网络中各个节点发出的信息，通过RS232接口把数据传到上位机;上位机接收BLE协调器节点传来的

信息，并处理和显示数据。

1.2 协调器与终端器节点电路设计

终端节点电路主要有数据采集电路、数据处理单元电路、信号指示电路、无线传输模块接口电路、按键电路、继电器控制电路及供电电路等。原理图如图2所示，数据采集电路要采集的信息含实验室负载电流、环境信息(温度、湿度等)及烟雾浓度信息。系统由霍尔传感器采集负载电流、温度传感器DS18B20采集环境温度信息、湿度传感器DHT11采集环境湿度信息、烟雾传感器采集烟雾浓度信息;数据处理单元电路以STC12C25A60S2为核心进行数据处理，图中R9、C4构成处理器复位电路，由X1、C4、C5决定系统时钟电路，P1、P2为设计无线传输模块与处理器的电路连接端口，实现处理器与无线收发模块CC2540无线数据传输。其中P1.0、P1.4和P1.1口用于指示网络状态;Q1为继电器控制电路，主要用来控制实验室供电和门禁系统。当实验室门禁授权后，处理器给三极管一个低电平信号，继电器吸合，给实验室供电。当实验室内出现异常情况时(如电流过大、有烟雾等)，处理器给三极管一高电平，继电器释放，切断实验室供电。协调器节点电路去除数据采集模块，增加RS232串口转换电路，采用MAX223双通道转换芯，MAX223的R1OUT引脚接CC2540的P0.2引脚，T1IN引脚接CC2540的P0.3引脚，通过它实现PC绑定数据、用户数据命令、节点信息及网络信息数据等数据或命令的传输，从而形成节点应用软件平台与协调器节点上位机软件平台之间的接口。在系统中，5V为STC12C5A60S2提供电源，3.3V为CC2540无线数据传输电路提供电源，电源系统由三端线性稳压器U1、U2构成。

1.3 无线传输模块电路设计

由于CC2540将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，因而简化了电路的设计，省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计。该电路设计原理图如图3所示。该原理图主要包括3.3V电源滤波电路、芯片晶振电路、天线电路、入网指示电路及复位电路6部分。接口电路由CC2540的I/O引出，增加无线模块的通用性;为得到更好的电源性能，电源滤波电路选择了合适的去耦电容对电源进行滤波，该部分电路参考TI公司滤波电容组设计;CC2540工作需要两个时钟晶振，第一个为32MHz，为无线收发时钟;第二个为32.068KHz，为休眠模式提供时钟。C17和C18为32MHz晶振的负载点电容，电容值取决于负载电容的大小。C17和C18的典型值为12pF。电路中采用非平衡天线加上一个非平衡变压器构成一个天线电路。由上拉电阻和按键组成，实现低电平复位。

2 系统软件设计

软件是功能得以实现的关键，软件设计包含传感器数据的采集、终端节点数据收发、协调器节点数据收发、及上位机数据实时显示与数据管理等。

2.1 协调器与终端器软件设计

协调器与终端器软件的软件设计按模块化的设计思想来实现，采用语言编程，在IAR集成开发环境中完成，主要有信息采集、终端器无线发送、协调器无线收发等软件设计，其流程如图4、图5及图6所示。

2.2 上位机管理界面软件设计

上位机主要实现以下功能：1)通过RS232串口通信完成与外设的通信;2)数据实时显示;3)数据管理的实现。考虑到上位机软件的通用性及可操作性，上位机软件采用方便快捷的LabVIEW编写管理程序。LabVIEW由美国NI公司研制开发，LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。在LabVIEW开发环境下，对采集到的数据进行数据显示等功能，使整个系统的功能更加完善。和其他编程语言一样，在LabVIEW中也存在子程序的概念，在LabVIEW中的子程序被称作子VI。将整个程序划分为若干模块，每个模块用一个或者几个子VI实现，易于程序的编写和维护;子VI可以代码复用。管理界面软件程序框图如图7所示，表1给出了本系统用到的几个通信模块的基本属性的描述。

3 系统测试

系统测试时用3块BLE模块和一个作为协调器节点组建无线网络。用串口调试工具查看当前的组网信息。当节点设置好后，开始先查看终端器发出的信息，图8示出了运行结果，显示当前温度、当前湿度与当前电流。测试表明本系统运行良好，无线网络通信成功。

4 结束语

文中采用射频芯片CC2540和微处理STC12C25A60S2设计了数据信息采集系统，实现了工作频率为2.4GHz的适合BLE协议的无线数据传输。结合硬件电路的特点和系统的功能要求，编写了整个系统软件。本系统操作界面简便、清晰，具有良好的人机操作界面。但节点非法侵入、信息破坏的安全问题及构成较为复杂的网络拓扑结构研究仍有很多新的挑战。