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基于CC2530网络传感器的无线数据采集与存储系统的设计与实现①
作者：杜宝祯 张友桥 祝水军 何剑海 来源：《数字技术与应用》2012年第09期
摘要：温度是许多网络测控系统中需要测量的一个重要参数。针对温度测量，设计了一种基于CC2530微控制器和U盘文件系统级处理芯片CH375的zigbee无线数据采集与存储系统平台。 该平台采用内置RF的8051内核的CC2530为数据处理的核心，利用zigbee协议栈实现组网和数据传输，通过STC89C52+CH375实现USB海量存储功能，同时配套液晶屏和键盘实现了人机交互。该平台测量精度高、灵敏度好且价格低廉，应用前景广阔。 关键词：CC2530 文件系统级处理芯片 zigbee CH375
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0135-03 1、引言
在很多测控系统中，温度湿度的采集都是测控系统中不可避免的环节。而使用基于zigbee协议栈的物联网系统，为大规模的数传以及存储带来了便利。目前基于zigbee的网络测控系统发展迅猛，具有良好的研究应用前景，由于项目的实际需要，本文将重点研究采用CC2530、zibgee协议栈以及CH375芯片实现无线数据采集与存储的软硬件实现方法。 2、无线数据采集与存储系统的硬件平台设计
传感器节点以低功耗的CC2530作为zibgee解决方案的核心，同时精心设计了复位、电源、时钟电路模块以及2.4GHz天线硬件接口的PCB布局，为了方便人机交互和实时显示还设计了键盘接口和液晶接口电路。另外对于基站节点，还另外设计了USB数据海量存储模块。考虑到CC2530已经承担着zigbee协议、数据采收等任务，可用资源已比较有限，因此本设计采用STC89C52+CH375为一个模块完成对数据的存储工作。CC2530周期性的通过串口将数据打包发送给STC89C52，STC89C52引发中断程序将数据保存在定义好的缓冲区buffer中，当buffer填满后，再由CH375周期性写入到U盘。因此基站节点有两颗8051核的单片机为其工作。基站节点的硬件平台结构图如下图所示： 2.1 CC2530微控制器介绍
采用新一代低功耗zibgee片上系统CC2530作为网络传感器节点的核心，该芯片遵循IEEE802.15.4标准，同时RF收发器为2.4GHz，可编程的输出功率高达4.5dBm，超低功耗，有5种运行模式。芯片内核采用优化的8位8051微控制器内核，有强大的5通道DMA功能。
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该芯片系统资源和外围接口丰富，内部集成安全协处理器、看门狗定时器及电池监视和温度传感器，支持多种工作模式，硬件支持CSMA/CA、21个I/O口、3个定时器和多种通信接口[1]。
2.2 基于CH375和STC89C52的USB数据存储模块的设计
能否实现Plug-and-Play海量存储，一直是嵌入式和工业产品设计所关注的问题。考虑到CC2530处理能力有限，在本设计中采用了STC89C52+CH375的USB数据存储方案。CH375是由沁恒公司研发的一款USB主从机控制器芯片，其主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘）。CH375与STC89C52通信采用并行方式驱动，可实现读写U盘以及USB通信功能，共需要13根信号线。（CB：5根信号线；DB：8根数据线）。通过详细研读CH375芯片手册，设计了存储器硬件电路[2]。其中CH375的USB接口电路设计如下：
3、数据采集与存储系统的软件平台设计 3.1 基于zigbee的数据采集软件平台整体结构
硬件是基础，软件是灵魂。几乎所有的嵌入式产品中都需要嵌入式软件来提供灵活多样、而且应用特制的功能。Zibgee是当前流行的无线传感器网络的通信协议，其遵循IEEE802.15.4和Zigbee联盟标准，因此选用该协议对于软件平台的标准化意义重大。该平台以Chipcon的Z-stackZigbee协议栈为核心为核心实现[3]。
该软件体系结构如图3所示，其中最底层为物理层，主要是采用扩频通信的调制方式，控制RF收发器工作；第二层为媒体访问控制层，该层遵循IEEE802.15.4协议，负责设备间的无线数据链路建立、维护和结束； 第三层为网络层，该层负责建立新的网络、处理节点的进入和离开网络、根据网络类型设置节点的协议堆栈、使网络协调器对节点分配地址、保证节点之间的同步、提供网络的路由；第四层为应用层，由应用子层、设备对象等构成，用户的程序开发主要在该层进行，有大量的API接口函数可以调用。 3.2 CH375 USB数据存储模块软件设计
存储模块软件部分设计的工作主要有：CH375芯片驱动程序和文件系统两部分。由于CH375芯片已内置USB Mass-Storage专用通讯协议固件，故在主机端无需编写Mass-Storage的协议，只需要对USB存储设备类命令进行详细宏定义，以供系统调用即可[4]。 在驱动编写过程中，CH375芯片驱动程序最基本的四个函数是CH375_Wait_Int（）、CH375_Read_Dat（）、CH375_Write_Cmd（）和CH375_Write_Dat（）。该四个函数是扇区读写操作、文件系统数据追加最终要调用的底层函数。完成底层基本函数后，对U盘的操作
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主要是通过disk初始化函数、读写扇区三个函数实现，即CH375_InitDisk（）、
CH375_Read_Sector（）、CH375_Write_Sector（）。以下对上述两个函数的编程进行说明，其他函数编程类似[5]。
3.2.1 CH375_Wait_Int（） 编写说明
中断程序在驱动程序中的核心，中断程序通常直接操作芯片底层硬件，如初始化USB存储设备、USB设备读写数据块等，产生中断信号通知MCU，并给出中断状态字，由主机MCU作出判断。CH375中断函数已经由Mass-Storage固件完成，CH375_Wait_Int（）主要是使用查询方式，等待中断标志，获取中断状态。中断程序具体实现如下： 3.2.2 CH375_Read_Sector（）读扇区函数编写说明
完成底层基本函数后，对U盘的操作主要是通过CH375_Init Disk（）、、
CH375_Write_Sector（）三个函数实现。对扇区读写，是实现数据存储最关键的步骤。下面CH375_Write_Sector（）部分源码的实现：
在向U盘写入一个扇区数据数据时，首先须向CH375发送CMD_DISK_WRITE命令执行“向USB设备写数据块”，此时需写入数据的扇区地址和写入数据长度，CMD_DISK_WRITE命令可以在容量高达2000GB的USB存储设备中任意写入1到255个扇区的数据，为了连续写入数据，要与DISK_WR_GO命令配合使用。单片机收到中断状态USB_INT_DISK_WRITE后，写入命令WR_USB _DATA7，用于向USB主机端点的输出缓冲区或者USB端点2的上传缓冲区写入数据块。接着写入的输入数据是数据块长度，再调用CH375_Write_Dat（）将数据逐个写入CH375。
在完成了CH375_Read_Sector（）和CH375_wirte_Sector（）等驱动程序的编写之后，本文在在参考fat_fs等目前常用的嵌入式文件系统基础上，主要实现了fat32文件系统的初始化、文件创建、数据追加功能，实现了数据存储[6，7]。 4、实验与验证
基站将其他节点发送来的温度数据，进行简单处理后，通过串口批量送入数据模块存储到U盘中。首先主机会检测U盘是否已插入到卡槽，待检测到U盘后，就开始初始化U盘和文件系统，检测磁盘分区和扇区容量（将程序运行的状态发送到串口上），随后在根目录下创建txt格式的文件，并返回输出“文件已存在”。
存储器模块周期的从基站串口读取打包好的温度值，保存在定义好的缓冲区buffer中，当缓冲区填满后，再周期性调用FAT32_ Add_Dat（）保存到U盘。（如图6） 5、结语