CC2540和SHT11的无线温湿度采集系统设计

摘要：蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，蓝牙4．0规范的核心是蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy)技术，本设计采用基于BLE技术的CC2540芯片，利用SHT11数字温湿度传感器来进行温湿度的采集，并通过CC2540以无线方式将采集到的数据发送给监控终端。实验结果表明，本系统具有体积小、功耗低、精度高等优点。
关键词：CC2540；蓝牙4．0；BLE；SHT11；无线网络

引言
在各类民用、工业控制现场等工作人员难以到达的区域，环境温湿度的状况是重要的参数，因此，对环境温湿度的准确、及时监控，具有重要意义。蓝牙采用跳频机制进行数据传送，故能极大地提高数据传送的抗干扰性能。对于数据采集系统应用而言，本设计大大简化了系统的复杂度，且大大降低了功耗和体积。由此带来的灵活性，使得系统的应用更加广泛。
本文对系统的总体方案、硬件电路和软件设计等内容作了详细介绍，通过使用CC2540芯片所具有的蓝牙4．0BLE协议进行设备互联以及无线数据的发送，实现了一种新型的无线温湿度数据采集系统。

1 CC2540芯片简介
CC2540是TI公司推出的完全兼容蓝牙4．0低功耗BLE协议的SoC芯片，其内部集成了低功耗的8051MCU内核、高性能2．4 GHz射频收发器、8 KB RAM和256 KB Flash存储器。其主要特性：包括1个16位和2个8位通用定时器、2个UART、12位有效位的ADC模／数转换、21个GPIO、32 kHz休眠定时器，具有5种工作模式，集成AES-128安全协处理器、高性能比较器、精确的数据接收信号强度检测(RSSI)、功能强大的5通道直接内存访问(DMA)；在发送模式和外部中断模式下，电流损耗分别为24 mA和0．4μA。CC2540与TI的蓝牙低功耗协议栈相配合，已成为市场上灵活、具有广阔应用前景的蓝牙低功耗解决方案。

2 系统结构
本文设计的无线温湿度采集系统结构如图1所示。温湿度传感器SHT11与CC2540节点设备相连，由CC2540芯片中集成的8051 MCU来控制温湿度传感器进行数据的采集，然后将数据以无线方式发送给蓝牙集中器，集中器通过串口将收到的无线数据发送给监控终端。

3 硬件电路
3．1 处理器单元
CC2540芯片中集成的处理器采用兼容8051内核的结构及指令系统，该内核通过3种不同的内存访问总线(SFR、DATA和CODE／XDATA)对内存进行访问控制，SFR总线负责将所有的外设同内存仲裁相连接，还负责CPU与射频寄存器之间的交互。内存仲裁通过SFR总线将CPU、DMA模块、存储器以及其他外设连接在一起。CC2540芯片外部接口电路如图2所示，外围电路包含1个32 MHz和1个32．768 kHz石英晶振，RF_N和RF_P为射频天线接口。

3．2 天线及巴伦匹配电路
天线以及巴伦匹配电路的设计较为重要，这涉及到射频通路的指标是否优良，对通信距离、系统功耗都有较大影响。天线设计可以采用PCB天线，本文射频天线采用了全尺寸的倒F天线(IFA)，极大地提高了发射、接收性能。天线如图3所示，尺寸参数如表1所列。

巴伦匹配电路即平衡不平衡转换器，使得单极天线接收的信号转为双路差分信号时，维持天线的辐射效率。巴伦匹配电路如图4所示。

3．3 传感器模块
传感器模块采用数字温湿度传感器SHT11，该芯片主要特点有：
◆提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，可靠性高；
◆高集成度，将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换等功能集成到单一芯片上；
◆提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能，采用CMOS工艺，可适应潮湿的测量环境。SHT11温湿度传感器的典型应用电路如图5所示。

4 软件设计
4．1 BLE协议栈
本设计通过使用CC2540芯片所具有的蓝牙4．0 BLE协议实现蓝牙设备的互联以及无线数据的发送。TI公司推出的蓝牙4．0 BLE协议栈包含两部分：主机和控制器。协议栈的实现方式采用分层的思想，控制器部分包括物理层、链路层、主机控制接口层；主机部分包括逻辑链路控制及自适应协议层、安全管理层、属性协议层、通用访问配置文件层、通用属性配置文件层；上层可以调用下层提供的函数来实现需要的功能。蓝牙4．0 BLE协议栈的结构如图6所示。
蓝牙4．0 BLE协议栈中，有3个变量至关重要：
①tasksCnt：该变量保存了任务的总个数。该变量的声明为“uint8 tasksCnt”，其中uint8的定义为“typedef unsigned char uint8”。
②tasksEvents：这是一个指针，指向了事件表的首地址。该变量的声明为“uint16*tasksEvents”，其中uint16的定义为“typedef unsigned short uint16”。
③tasksArr：这是一个数组，该数组的每一项都是一个函数指针，指向了事件处理函数。该数组的声明为“pTaskEventHandlerFn tasksArr[]”，其中pTaskEventHandlerFn定义如下：
typedef unsigned short(*pTaskEventHandlerFn)(unsignedchar task_id，unsigned short event)
这是定义了一个函数指针。因此，tasksArr数组的每一项都是一个函数指针，指向了对应的事件处理函数。
可以将BLE协议栈的运行机制总结为：通过不断地轮询事件表来判断是否有事件发生，如果有事件发生，则查找函数表找到对应的事件处理函数对事件进行处理。事件表使用数组来实现，数组的每一项对应一个任务的事件，每一位表示一个事件；函数表使用函数指针数组来实现，数组的每一项是一个函数指针，指向了事件处理函数。
4．2 温湿度数据采集流程图
使用SHT11温湿度传感器进行温湿度数据的采集，周期性的采集数据并存储到CC2540蓝牙节点设备中，如图7所示。