26 卷Vol.26 第 第 17 期No.17 CC2530 基于 和 电子设计工程 Electronic Design Engineering SIM900A 的无线传感器网络设计 2018 9 Sep. 2018 年 月 300061 陈树成，李晓波，崔 明，苏连维 SIM900A （天津市气象探测中心 天津 ） CC2530 CC2530 和 的无线传感器网络。 摘要：本文设计基于 模块分别与温湿度传感器、 二氧化碳传感器、光照传感器组合，构成无线传感器网路的终端节点，对一定环境内温湿度、二氧 化碳和光照要素进行测量，将测量结果通过无线传感器网络的路由节点发送给协调器节点，协调 器节点对接收到的数据进行存储、分析和处理；协调器节点连接 实现数据的远程传输，当 采集到的环境信息超过用户设定的报警阈值时，将报警信息及时发送至用户手机。实验证明：设 计的无线传感器网络功能完整、安装简便、稳定可靠，可以准确地测量温湿度、二氧化碳浓度和光 照强度数据。 关键词： 中图分类号： CC2530 TN98 2018 ） Wireless sensor network design based on CC2530 and SIM900A ；无线传感器网络；数据采集； 17-0121-05 1674-6236 SIM900A SIM900A 文献标识码： 文章编号： A （ CHEN Shu⁃cheng LI Xiao⁃bo CUI Ming ， （Tianjin Meteorological Observation Centre，Tianjin ， ， SU Lian⁃wei 300061 ，China） ， ， Abstract: Wireless sensor network is designed based on CC2530 and SIM900A. Temperature and humidity sensor carbon dioxide sensor and light sensor is connected to wireless module CC2530 respectively to constitute sensor network terminal nodes measuring the temperature and humidity carbon dioxide and light and transferring the measured data to the coordinator node of the wireless sensor network through the routing node. The coordinator node then storage analysis and process the received data. SIM900A is connected to the coordinator node to realize the long-distance transmission of the data s mobile phone when the collected environment data exceeds the alarm threshold that set by the user. The experimental results show that the wireless sensor network is fully functional and can measure the temperature and humidity SIM900A Key words: CC2530 carbon dioxide concentration and light intensity accurately. stable and reliable data acquisition and send the warning message to the user wireless sensor network easy to install ， ， ， ’ ， ， ， ， ； ； ； ， Wireless Sensor Network WSN [1] 无 线 传 感 器 网 络（ ， ）作为物联网的一种末梢网络和感知延伸层，已 经广泛应用于汽车电子、工业控制、家庭自动化和环 境监测等领域 。随着传感器技术、微处理技术、芯 片技术和无线通信技术的发展，以及片上系统 （ 单芯片的解决方案 信技术有红外、蓝牙、 蓝牙、 ）的出现，为无线传感器网络提供了 。目前应用比较成熟的无线通 ，其中 ，红外 等技术 技术传输速度较快，但成本较高 System on Chip ZigBee Wi-Fi Wi-Fi SoC [2-3] 和 2017-11-16 1988 收稿日期： 基金项目：天津市气象局科研项目（ 作者简介：陈树成（ 稿件编号： [4] [5] 201711099 201727ybxm19 ） [6] ZigBee ZigBee 技术则有着传输过程中无障碍物、无角度的缺点 ， 使得这些无线通信技术都不适合于无线传感器网络 技术具有开发简单、成本低、传输距 的搭建。 离远和功耗低等特点，利用 组建无线传感器 网络是最佳的选择 。温湿度、二氧化碳浓度和光照 强度是各种工农业生产中重要的环境参数，利用无 线传感网络对这些环境要素进行组网测量是十分必 要的，避免了传统环境要素测量方法中布线麻烦、设 备移动性不强和抗干扰能力差等缺点 。 [7] [8] CC2530 本文设计基于 芯片的传感器网络，构建 —），男，辽宁朝阳人，硕士，工程师。研究方向：气象探测数据研究。 -121 - 

2018 《电子设计工程》 17 期 年第 GSM 设计测量 CC2530 环境要素无线测量系统，通过对采集的数据分析与 处理，对于超过预定值的环境要素将触发报警机制， 通过 将信息发送给程序指定用户号码，实现远 距离实时监控。 1 总体设计 3 SHT11 TGS4161 BH1750 种环境要素（温湿度、二氧化碳、光 模块与温湿 照强度）无线传感器网络。利用 构成温湿度传感器节点，与二氧化 度传感器 构成二氧化碳传感器节点，与光 碳传感器 照传感器 构成光照传感器节点，对一定环境 中的要素（温湿度、二氧化碳浓度和光照强度）数据 进行采集，并将采集到的要素数据打包，经由路由节 点 传 输 至 配 置 有 的 协 调 器 节点，最终由协调器节点对接收到的数据进行存储、 分析和处理；当接收的数据超过设定阈值时，启动 模块，将报警信息发送给指定号码。对于 模块的传输距离 较大的环境空间，可以按照 要求来适当增加传感器的放置数量，以满足对整个 测量环境进行有效的监测。设计的 模块采 用单节大容量可充电锂电池供电。 SIM900A SIM900A CC2530 CC2530 无 线 模 块 GSM 1 系统的总体设计框图如图 所示。 1 图 系统总体设计框图 2 系统硬件设计 2.1 温湿度传感器节点设计 CC2530 IEEE802.15.4 是 用 于 RF4CE 、 ZigBee [9] CC2530 和 应用的一个真正的片上系统解决方案 较低的成本建立高效的网络节点。 。它能够以 运用了 收 发 器 的 优 良 性 能 ，以 及 业 界 标 准 的 增 强 型 和许多其它 种 不 同 的 闪 存 版 本 ： RF 8051CPU CC2530 CC2530F32/64/128/256 32/64/128/256KB ，系统内可编程闪存 8KB RAM 的 强 大 功 能 4 有 ，分 别 具 有 。 [10] CC2530 [11] 。 的闪存 适 用 于 低 功 耗 的 应 用 。 CC2530 具有多种运行模式，使得它非常 公 司 的 ），提供了一个强大的解决 结 合 了 TI Z-StackTM 协议栈（ ZigBee -122 - 方案 [12] 。 SHT11 Sensirio A/D 采用 CMOSen P1_0 SHT11 数字温湿度传感器 CC2530 DATA 专利技术，将温湿度传感器、 公司的 转换电路、 信号放大调理电路、串行接口电路集成在一个芯片 具有响应迅速、品质卓 内，芯片体积非常小， 越、抗干扰能力强、性价比极高等优点 。电路中将 的 、 上拉电 阻到电源，传感器的供电通过三极管开关控制，当不 需要进行数据采集的时候，可以通过控制三极管基 极 电 阻 一 端 的 来 给 传 感 器 上 电 或 断 电。温湿度传感器节点的原理图如图 相连，传感器的信号引脚接一个 SHT_POWER SHT11 10 K 分别与传感器 P1_1 SCK 所示。 2 的 、 [13] SCK 和 设计温湿度传感器节点的 板时，需要将电 源线和地线之间布放 线，用来消除自 身信号串扰。同时需要注意，在电源正和电源地之间 加一个去耦电容。布放传感器器件时，要将传感器 远离易发热元件，减少元件发热对温度测量的影响。 2.2 二氧化碳和光照传感器节点设计 PCB DATA TGS4161 [14] TLC271 TGS4161 是一款精度较高的二氧化碳传感器， 它由固态电解质构成，该固态电解质对二氧化碳变 化较敏感，传感器配有加热装置，用来减小环境温度 传感器非常脆 的变化对测量结果的影响； 弱，一个持续流经传感器核心的电流就会烧毁它 ， 故本文设计中应用 芯片对二氧化碳传感器 进行保护。传感器输出的电压值也就越高，表示二 氧化碳浓度越高，近似成正比关系。传感器输出端 口通过 端口连接。 不区分光源类型，传感 电压供电和两线式串 器输出为数字信号，采用 行总线接口，测量环境光照强度的范围为 （ 变化 别与 为光照强度单位），可支持较大范围的光照强度 引脚分 1-65535lx SDA BH1750 P1_3 BH1750 3.3 V [15] CC2530 。设计的模块中， 光照强度传感器 TLC271 CC2530 无线模块的 相连接。 SCL AD lx 与 的 、 的 和 二氧化碳传感器测量节点和光照强度传感器节 SIMCOM 点硬件电路如图 2.3 协调器节点与SIM900A 硬件电路设计 所示。 司的 SIM900A TCP/IP 协议，实现设备的远程通信， 本文中采用的数据传输报警模块为 公 。它能够通过发送短信息或其内嵌的 采用宽 。该模块在开 电源电压供电，电压范围 机注册网络时进行信号发射需要较大电流，会导致 模块自动关机，本设计在电源端与地端连接两个电 3.2~4.8 V[16] SIM900A P1_2 3 

陈树成，等 基于 CC2530 和 SIM900A 的无线传感器网络设计 2 图 温湿度传感器节点硬件电路 10 9 1 SIM900A SIM900A SIM900A CC2530 TXD PWRKEY P0_5 RXD P0_4 CC2530 SIM900A 、 、 的 CC2530 通 过 控 制 、 ，以实现 分 别 连 接 至 对 引脚 令 的 交 互 ， 来 使 的 之间命 脚 的 开 关 机 。 当 协 调 器 接 收 到 数据时，通过分析处理之后，如果接收数据值大于用 内 部 程 序 驱 动 户 设 定 的 上 下 限 值 时 ， 模块开机，将报警信息发送至内部程序指 定的用户号码。必要时，也可以将实时的采集要素值 以短信的方式发送给用户，实现对环境的实时监控。 2.4 锂电池供电电路设计 SIM900A CC2530 3.7 V 3.3 V CC2530 温湿度传感器供电均为 。温湿度传感器节点中， SHT11 3.3 V 由于本文需要构建携带多种类型传感器的无线 传感器网络，供电选择标准锂电池，锂电池充满电后 标准电压为 模 ，运用降压 块和 ；光照传感器节点供电 芯片将锂电池电压降为 ；二氧 电压为 化碳传感器节点中， ， 二 氧 化 碳 传 感 器 模 块 上 需 要 有 锂 电 池 电 压 降 压 至 电路；路由节点 3.3 V TGS4161 ，也只需要将锂电池电压转 电路和锂电池电压升压至 传感器供电电压为 3.3 V 3.3 V 5 V 5 V -123 - PCB 二氧化碳和光照传感器节点硬件电路 ，同时在布设 电路板时，电容应当尽 ，用来增大供电电流抑制电压跌 1.8 V SIM SIM 3.0 V SMF05C 两种 和 卡来自动选择供 SIM SIM 22 Ω 来 对 图 、 3 C24 C23 SIM900A VBAT 模块能够使用 容 量靠近电源端 落。 卡，在上电是可以根据不同的 电 电 压 卡作静电保护。 阻 、 SIM_VDD SIM900A R13 R11 SIM_DATA 、 R10 SIM ，本 设 计 中 使 用 与 电 来 匹 配 阻 抗 ，数 据 信 号 线 已在模块内部上拉。设计电路板时应注 卡座之间用 SIM 意 卡的外围电路器件应该靠近 卡座。 SIM900A 4 协 调 器 节 点 与 硬 件 电 路 如 图 所 示。 

2018 《电子设计工程》 17 期 年第 图 4 SIM900A 协调器节点与 连接电路图 SIM900A 1.2A CC2530 3.3 V 只有 电压转 电 池 供 电 ，所 以 也 只 需 要 有 锂 电 池 转 模块本身需要供电，故只需要有锂电池 可直接用锂 电路；协调器节点 给 3.3 V CC2530 TPS62046 1.25 MHz 95% 模块供电。 3.3 V TPS6204X 锂 电 池 转 芯 片 使 用 德 州 仪 器 的 。 系列工作在固定的开关频率 ，在整个负载电流范围内都能进入省电模 式并且保持较高的转换效率。其主要特性是：高达 ，输出电流可高达 的转换效率，静态电流 18 μA 1.25 MHz 2.5~6.0V LTC3440 DC/DC - 5V 元 器 件 。 电 路 使 用 ，固定开关频率 ，输入电压范围为 ， 内部软启动，可调整的输出电压和短路保护。锂电 池 转 是 一 转换器，芯片额定输入 种高效率的降压 电压和输出电压范围均为 在其 所有的工作模式具备连续转换功能，适用于延长小 容量锂电池的工作时间。锂电池电压转换电路如图 电路， LTC3440 LTC3440 所示，其中左边电路为锂电池电压降压 2.5~5.5 V 3.3 V 升压 5 ， 5 V 右边电路为锂电池电压升压 电路。 5 图 锂电池电压转换电路 3 实验结果 -124 - 在实验室布放温湿度传感器节点、二氧化碳传 感器节点、光照传感器节点、路由节点和协调器节 分钟采集一次各个要素的数据， 点。程序设置每 并将每次采集的数据通过 以短信息方式发 SIM900A 5 

陈树成，等 基于 CC2530 和 SIM900A 的无线传感器网络设计 送至指定手机，如果有报警信息，将报警信息也发送 至手机。对温湿度传感器利用可控的制冷加热装置 进行温湿度的改变，光照传感器可以用物体进行遮 挡光线和强光照射改变光照强度，二氧化碳传感器 可利用人工呼气的方式改变环境中二氧化碳浓度， 随机选取了接收到的 条，实验数据 如表 条数据中的 所示。 50 8 1 表 1 室内各要素测试结果 光照强度(Lx) 二氧化碳浓度 0.2 30.5 82.1 122.3 167.8 1235.3 2265.5 5624.7 报警信息 温度、光照报警 不报警 不报警 不报警 不报警 二氧化碳报警 温度、二氧化碳、 光照报警 都报警 (PPM) 382 416 422 881 910 1125 1677 2275 湿度(%RH) 18.2 21.3 25.6 34.3 42.6 46.9 52.5 62.1 0.0 ℃ 10.0%RH 300PPM 20Lx 1 温度(℃) -4.8 0.4 5.2 18.0 28.6 33.1 40.9 45.5 38.0 ℃ 60.0%RH 1000PPM 2000Lx 3 和 和 和 和 实 验 中 ，温 度 报 警 的 上 下 限 报 警 值 分 别 设 为 ，湿 度 的 上 下 限 报 警 值 分 别 设 为 ，二氧化碳的报警阈值分别设 为 ，光照强度的报警阈值分别设 为 。温湿度和光照强度测量数据保 留至小数点后 位，二氧化碳数据保留整数位。实 验证明： 种传感器节点数据采集功能稳定可靠，采 集到的数据都能够通过无线网络传输；实现了指定 阈值外的报警功能，当温环境内任一要素值超过设 定的上下限阈值时，就会触发 开机，向指定 手机发送相关报警信息。 4 结 论 SIM900A 本文利用传感器技术和无线通信技术，设计了 一种无线传感器网络，实现了对一定区域内的环境 要素（温湿度、二氧化碳浓度和光照强度）实时采集 和处理；当采集到的环境要素数据值超过设定的报 警阈值时，就会将对应要素的报警信息发送至指定 手机，方便用户及时采取措施。其中，供电部分可扩 展太阳能充电功能，同时该无线传感器网络也可扩 展其它要素传感器节点，扩展性能较好。实验证明： 本文设计的无线传感器网络，能够准确地测量一定 环境内的温湿度、二氧化碳和光照数据，电路结构简 单，功能完善，功耗较低，具有良好的应用前景。 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] 参考文献： 的温湿度监测系 ） 6 :36-38. 39 2013 （ 的多传感器 ， . ZigBee-WSN 基于 电子技术应用， 2012 ZigBee [J]. ） 3 基于 . [J]. :96-99. 单片机与嵌入式系统应用， 许池，李新春 统 石繁荣，黄玉清，任珍文 物联网无线监测系统 （ 郝万君，潘国成，曹苏荣，等 室内环境多参数分布监测系统设计 大学学报：自然科学版， 袁志强 统设计 盛仲飙 子设计工程， 铁生 . 1 2017 2013 . [J]. .WIFI 常用无线网络技术解析 江苏农业科学， ZigBee 2012 :60-68. . 2015 :1-3. Z1 16 基于 （ ） （ ） （ ） [J]. :72-76. 11 （ ） . 技术的温室大棚无线监测系 :396-397. [J]. 无线网络技术及安全性研究 电 基于无线传感网的 苏州科技 计算机与网络， [J]. ZigBee [J]. CC2530 无线网络 电子设计工 8 基于 2017 :50-54. 李俊杰，孙威，王玉峰，等 通信技术的油田水井监控管系统 程， 李正民，张兴伟，柳宏川，等 度监测系统的设计与实现 . [J]. （ ） 25-28. 基于 测控技术， 2013 的温湿 ） 5 （ : ZigBee 的水产养殖 2015 电子设计工程， CC2530 工业控制计算机， 2016 的智能家 ） 2 （ : ） 陈集炎，吕晓峰，韦江华 温度监控的设计与实现 （ 藏恒星，章国宝，朱叶盛 居 19 :11-13. ZigBee 28-29. 模块设计 基于 [J]. . 基于 [J]. . 基于无线传感器网络的手 [J]. 左建，刘浩，吕明，等 持终端设计 马海龙，张长利，郑博元，等 日光温室环境监控系统研究 工业控制计算机， 基于 . 2014 5 ZigBee [J]. （ ） 技术的 农机化研究， :29-30. 2015 6 （ ） :221-224. [J]. 77-80. 林晓松，林少芬，陈清林 统设计与实现 无线药仓温湿度监控系 ） 仪表技术与传感器， （ 2015 7 : ZigBee 2017 STM32 [J]. SIM900 [J]. 基于 叶美松，肖世德，张志锋 棚系统的设计 基于 朱慧，王军阵，陈琳，等 环境检测系统的设计与实现 自动化与仪表， 16 :77-79. 2017 技术的温室大 2 :41-44. RTEMS ） （ 和 的 电子设计工程， （ ） 王铁流，冯正乾，周南 洋监测终端机的设计 （ :108-111. 12 ） . 基于 [J]. 电子测量技术， 的无线远程海 ， 2012 35 -125 - . . . .