基于zigbee的無(wú)線溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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1、<p>  存檔日期: 存檔編號(hào): </p><p><b>  xxx大學(xué)xx學(xué)院</b></p><p>  本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p>  論 文 題 目:基于ZigBee的無(wú)線溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><

2、;p>  姓 名: xxx </p><p>  系 別: xxx </p><p>  專 業(yè): xxx </p><p>  班 級(jí) 、 學(xué) 號(hào): xxx </p><

3、;p>  指 導(dǎo) 教 師: xxx </p><p>  xx大學(xué)xx學(xué)院教務(wù)部印制</p><p><b>  摘 要</b></p><p>  傳統(tǒng)的多點(diǎn)分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)多采用有線傳輸方式,然而隨著分布式節(jié)點(diǎn)的不斷增加,布線復(fù)雜程度和成本也急劇增加,給系統(tǒng)的設(shè)計(jì),維護(hù)和升級(jí)帶來(lái)了諸多困

4、難。</p><p>  ZigBee是一種嶄新的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的標(biāo)準(zhǔn),主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,。本設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù),采用CC2430作為溫度檢測(cè)系統(tǒng)芯片,應(yīng)用2.4GHz ISM波段,滿足低成本,低功耗的要求。</p><p>  本設(shè)計(jì)首先介紹了課題研究的意義,ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍以及ZigBee技的發(fā)展現(xiàn)狀。

5、</p><p>  其次,詳細(xì)介紹Zigbee技術(shù)低功耗、低成本以及網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)和符合Zigbee通信協(xié)議的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)CC2430。</p><p>  最后,完成溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件流程圖的設(shè)計(jì)。溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分是以CC2430為控制核心,加上一些外圍電路組成控制系統(tǒng),包括A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、USB接口轉(zhuǎn)換電路等,實(shí)現(xiàn)對(duì)分散節(jié)點(diǎn)的溫度采集,采集后的溫度實(shí)時(shí)地

6、顯示。本設(shè)計(jì)可以有效滿足工農(nóng)業(yè)檢測(cè)過(guò)程中對(duì)多測(cè)點(diǎn)、移動(dòng)性及便捷性等方面的要求,并且能夠有效解決有線網(wǎng)絡(luò)的布線難題和成本問(wèn)題,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。軟件部分主要是傳感器,協(xié)調(diào)器等系統(tǒng)流程圖的設(shè)計(jì),詳細(xì)描述整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程。</p><p>  關(guān)鍵詞:ZigBee;CC2430;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);溫度采集</p><p><b>  Abstract</b></

7、p><p>  Traditional multi-point distributed temperature detection system using wire transmission, with the distributed nodes increases ceaselessly, the wiring complexity and costs also increased dramatically, t

8、o system design, maintenance and upgrade brings a lot of difficulties.</p><p>  ZigBee is a new short-range wireless communication technology, in order to meet the needs of small cheap equipment wireless net

9、working and control standards, mainly applicable to the field of automatic control and remote control,. The design is based on ZigBee technology, using CC2430 as the temperature detection system using 2.4GHz chip, ISM ba

10、nd, meet the low cost, low power requirements.</p><p>  This paper first introduces the significance of the research, the application of ZigBee technology and ZigBee technology and development status.</p&

11、gt;<p>  Secondly, introduces Zigbee technology of low power consumption, low cost and network capacity is big wait for a characteristic and the communication protocol with the Zigbee hardware development platform

12、 CC2430.</p><p>  Finally, the completion of the temperature detection system hardware design and software flow diagram design. The temperature detection system hardware is part of the CC2430 as the control

13、core, plus some peripheral circuits to form control system, including the A/D conversion circuit, display circuit, USB interface conversion circuit, the temperature detection, so as to realize temperature of various stat

14、e monitoring and other functions. The software part is the main sensor, coordinator and the</p><p>  Key words: ZigBee; CC2430; wireless sensor network; temperature acquisition</p><p><b> 

15、 目 錄</b></p><p><b>  摘 要I</b></p><p>  AbstractII</p><p><b>  1緒論1</b></p><p><b>  1.1引言1</b></p><p><

16、;b>  1.2課題背景1</b></p><p>  1.3課題研究的目的和意義2</p><p>  1.4 ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀4</p><p>  1.5 本設(shè)計(jì)的主要工作4</p><p>  2 ZigBee的介紹5</p><p>  2.1 ZigBee的概述5<

17、/p><p>  2.1.1物理層(PHY層)6</p><p>  2.1.2 MAC層6</p><p>  2.1.3網(wǎng)絡(luò)層(NWK層)6</p><p>  2.1.4應(yīng)用層(APL層)7</p><p>  2.1.5安全服務(wù)提供層(SSP層)8</p><p>  2.2 Zi

18、gBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)8</p><p>  2.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型8</p><p>  2.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?</p><p>  2.3工作模式11</p><p>  3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)12</p><p>  3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)12</p><p>  3.2 溫

19、度采集系統(tǒng)原理13</p><p>  4 溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)15</p><p>  4.1 zigbee芯片選擇和簡(jiǎn)介15</p><p>  4.1.1 zigbee芯片的選擇15</p><p>  4.1.2 cc2430簡(jiǎn)介15</p><p>  4.1.3 CC2430 芯片的主要特點(diǎn)

20、16</p><p>  4.1.4 I/O 端口線引腳功能17</p><p>  4.1.5 CC2430 外圍電路19</p><p>  4.1.6 CC2430應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)21</p><p>  4.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)22</p><p>  4.2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)22&

21、lt;/p><p>  4.2.2 路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)22</p><p>  4.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)23</p><p>  4.3電源供電電路24</p><p>  4.4 傳感器電路24</p><p>  4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路圖26</p><p>  4.6

22、 USB轉(zhuǎn)串口電路圖28</p><p>  4.7顯示電路29</p><p>  5 溫度檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)31</p><p>  5.1傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程圖31</p><p>  5.2 協(xié)調(diào)器的程序流程圖31</p><p>  5.3上位機(jī)軟件的程序的流程圖32</p>

23、<p>  6 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介34</p><p>  6.1 C51RF-3-PK開(kāi)發(fā)平臺(tái)34</p><p>  6.2 IAR Embedded Workbench簡(jiǎn)介34</p><p>  6.3 上位機(jī)的功能簡(jiǎn)介35</p><p>  7.總結(jié)與展望36</p><p><b>

24、;  致 謝37</b></p><p><b>  參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>  附 錄40</b></p><p><b>  緒論</b></p><p><b>  1.1引言</b></p>&

25、lt;p>  溫控系統(tǒng)、冷庫(kù)溫控系統(tǒng)、智能化建筑控制系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)等眾多應(yīng)用系統(tǒng)中,為了實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)不同點(diǎn)的溫度,需要多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多點(diǎn)分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用有線傳輸方式,然而隨著分布式節(jié)點(diǎn)的不斷增加,系統(tǒng)的布線復(fù)雜度和成本也就極具增加,這給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和升級(jí)帶了許多不便。如何解決有線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的諸多不便已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。</p><p>  ZigBee技術(shù)就是一種基于IEEE

26、802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù),主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用,已成為當(dāng)下較為流行的無(wú)線通信技術(shù)。</p><p>  本設(shè)計(jì)意在設(shè)計(jì)一種基于ZigBee的溫度檢測(cè)系統(tǒng),用以實(shí)現(xiàn)對(duì)分散節(jié)點(diǎn)的溫度采集,采集后的溫度實(shí)時(shí)地顯示。本設(shè)計(jì)可以有效滿足工農(nóng)業(yè)檢測(cè)過(guò)程中對(duì)多測(cè)點(diǎn)

27、、移動(dòng)性及便捷性等方面的要求,并且能夠有效解決有線網(wǎng)絡(luò)的布線難題和成本問(wèn)題,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。</p><p><b>  1.2課題背景</b></p><p>  信息技術(shù)發(fā)展日新月異,傳統(tǒng)的有線通信方式因?yàn)槠涑杀靖?、布線復(fù)雜,已經(jīng)不能完全滿足人們的應(yīng)用需求了。由此,無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸范圍來(lái)劃分,可分為無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)、無(wú)線局域

28、網(wǎng)和無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)。無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)即短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò),典型的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)有:藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi等[1]。</p><p>  在工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化和遙測(cè)遙感領(lǐng)域,藍(lán)牙(Bluetooth)雖然成本較低,成熟度高,但是傳輸距離有限,僅為10米,可以參與組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)少。WiFi雖然傳輸速度較快,傳輸距離達(dá)到100米,但是其價(jià)格偏高,功耗較大,組網(wǎng)能力較差。</p><

29、;p>  相比之下ZigBee技術(shù)則主要針對(duì)低成本、低功耗和低速率的無(wú)線通信市場(chǎng),具有如下特點(diǎn)[2]:</p><p>  (1)成立本低:ZigBee模塊的初始成本低,并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)采</p><p>  用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲),免執(zhí)照頻段。</p><p>

30、;  (2)低功耗:由于ZigBee的傳輸速率較低,傳輸數(shù)據(jù)量較小,并且采用了休眠模式,因此ZigBee設(shè)備功耗很低,僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)時(shí)間使用。</p><p>  (3) 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的較低速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。</p&

31、gt;<p>  (4)時(shí)延短:ZigBee的響應(yīng)速度較快,通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需要30ms,進(jìn)一步節(jié)約了能源。</p><p>  (5)網(wǎng)絡(luò)容量大:Zigbee 可采用星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254 個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的

32、大網(wǎng)。</p><p>  (6)可靠度高:為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突,采取了碰撞避免策略,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。</p><p>  (7)安全:Zigbee 提供了三級(jí)安全模式,包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高

33、級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性。</p><p>  (8)傳輸距離遠(yuǎn):傳輸范圍一般介于10~100 m 之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。</p><p>  由于ZigBee技術(shù)具有上述特點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用在短距離低速率電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee聯(lián)盟

34、預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。</p><p>  1.3課題研究的目的和意義</p><p>  ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、近距離、短時(shí)延、高容量、高安全及免執(zhí)照頻段等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于智能家庭、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和電信應(yīng)用等領(lǐng)域。</p><p>  智能家庭:現(xiàn)今家用電

35、器已經(jīng)隨處可見(jiàn)了,如何將這些電器和電子設(shè)備聯(lián)系起來(lái),組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),甚至可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Internet,使得用戶可以方便地在任何地方監(jiān)控自己家里的情況。ZigBee技術(shù)提供了家庭智能化的技術(shù)支持,在ZigBee技術(shù)的支持下,家用電器可以組成一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng),省卻了在家里布線的煩惱。</p><p>  工業(yè)控制:工廠環(huán)境當(dāng)中有大量的傳感器和控制器,可以利用ZigBee技術(shù)把它們連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控,加強(qiáng)作業(yè)管理

36、,降低成本。</p><p>  自動(dòng)抄表:現(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來(lái)逐家逐戶進(jìn)行抄表,十分不方便。而ZigBee可以用于這個(gè)領(lǐng)域,利用傳感器把表的讀數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進(jìn)行抄表還可以帶來(lái)其它好處,比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶,或者和節(jié)能相結(jié)合,當(dāng)發(fā)現(xiàn)能源使用過(guò)快的時(shí)候可以自動(dòng)降低使用速度。</p>

37、<p>  醫(yī)療監(jiān)護(hù):醫(yī)療工作中,時(shí)常要獲得病人的生理指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo),可以通過(guò)放置傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)。由于是無(wú)線技術(shù),傳感器之間不需要有線連接,被監(jiān)護(hù)的人也可以比較自由的行動(dòng),非常方便。</p><p>  傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用:傳感器網(wǎng)絡(luò)也是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn),像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等方面都有很好的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點(diǎn)低成本、低功耗,并且能夠自動(dòng)組網(wǎng)、易于維護(hù)、可靠性高

38、。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢(shì)使得它成為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)很好的技術(shù)選擇。</p><p>  此外,ZigBee技術(shù)也可以應(yīng)用到汽車電子、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事領(lǐng)域中。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸興起,ZigBee技術(shù)將會(huì)扮演更為重要的角色。但是,物聯(lián)網(wǎng)的全面普及將是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程,至少目前還在探索和實(shí)驗(yàn)階段,距離實(shí)用還有很長(zhǎng)的路要走。</p><p>  雖然前景一片大好,但是我們應(yīng)該清

39、楚認(rèn)識(shí)到由于各方面的制約,ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日,基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)說(shuō)不上成熟,主要表現(xiàn)在:ZigBee市場(chǎng)仍處于起步探索階段,終端產(chǎn)品和應(yīng)用大多處于研發(fā)階段,真正上市的少,且以家庭自動(dòng)化為主;潛在應(yīng)用多,但具有很大出貨量的典型應(yīng)用少,市場(chǎng)缺乏明確方向;使用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)星狀拓?fù)涞膽?yīng)用較多,體現(xiàn)ZigBee優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用少;基于IEEE 802.15.4底層協(xié)議的應(yīng)用多,而基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

40、的應(yīng)用少。</p><p>  1.4 ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>  ZigBee作為一種新興的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)短距離無(wú)線通信協(xié)議,其協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)七層開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI), IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩層:物理層和媒體接入控制子層;網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層、應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制訂。</p><p>  2002

41、年 ,ZigBee聯(lián)盟創(chuàng)立,創(chuàng)始者包括IC供應(yīng)商、無(wú)線IP提供商、設(shè)備制造商、測(cè)試設(shè)備制造商和最終產(chǎn)品制造商等,這些企業(yè)能提供適應(yīng)ZigBee的產(chǎn)品和解決方案。</p><p>  ZigBee聯(lián)盟于2004年底發(fā)布了ZigBee協(xié)議1.0版本規(guī)范,2006年11月發(fā)布了ZigBee協(xié)議1.1版本規(guī)范,2007年10月發(fā)布了ZigBee Pro版本規(guī)范。</p><p>  ZigBee聯(lián)

42、盟的主要目標(biāo)是以通過(guò)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能,為消費(fèi)者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品,應(yīng)用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場(chǎng)。使得聯(lián)盟會(huì)員可以利用ZigBee這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來(lái)。 </p><p>  1.5 本設(shè)計(jì)的主要工作</p><p>  本文主要研究了基于ZigBee的溫度檢測(cè)系統(tǒng)的

43、設(shè)計(jì),包括節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建,以及軟件流程圖設(shè)計(jì)。主要工作包括以下幾個(gè)方面:</p><p> ?。?)闡述了設(shè)計(jì)的背景、目的和意義以及目前ZigBee研究發(fā)展情況。</p><p> ?。?)介紹了ZigBee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、各層的功能、ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及工作模式,此外介紹了CC2430芯片及它的外圍電路。</p><p>

44、 ?。?)介紹了本設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境以及相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。如協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等。</p><p>  (4)軟件流程圖設(shè)計(jì)。傳感器,協(xié)調(diào)器等流程圖的設(shè)計(jì)。</p><p> ?。?)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。</p><p>  2 ZigBee的介紹</p><p>  2.1 ZigBee的概述</p>&l

45、t;p>  ZigBee是一種新興的短距離,低速率,低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要用于近距離無(wú)線連接。它有主見(jiàn)的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很低的功耗,以接力的方式通過(guò)無(wú)線電微波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,因此它們的通行效率非常高。</p><p>  ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的[3],由IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)盟共同

46、制定。IEEE 802.15.4工作組制定ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)和媒體訪問(wèn)控制層( MAC層)協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟成立用于2002年,定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)規(guī)范。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2-1。</p><p>  圖2-1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)</p><p>  ZigBee協(xié)議由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(

47、NWK),應(yīng)用層(APL)及安全服務(wù)提供層(SSP)五塊內(nèi)容組成。其中PHY層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義,MAC層之上的NWK層,APL層及SSP層,由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義。APL層由應(yīng)用支持層(APS),應(yīng)用框架(AF)以及ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)及ZDO管理平臺(tái)組成。</p><p>  2.1.1物理層(PHY層)</p><p>&l

48、t;b>  主要功能:</b></p><p>  物理層定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口,提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。</p><p>  物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下四個(gè)方面的功能:</p><p>  1.激活和休眠射頻收發(fā)器。 </p>

49、<p><b>  2.信道能量檢測(cè)。</b></p><p><b>  3.收發(fā)數(shù)據(jù)。</b></p><p>  4.檢測(cè)接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示。</p><p>  工作頻段和信道分配:</p><p>  物理層定義了三個(gè)載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)。三個(gè)頻段總共提供27個(gè)信道,信道

50、的編號(hào)從0到26。868MHZ頻段一個(gè)信道。915MHZ頻段10個(gè)信道,2450MHZ頻段16個(gè)信道。</p><p>  2.1.2 MAC層</p><p><b>  主要功能:</b></p><p>  MAC層使用CSMA-CA沖突避免機(jī)制對(duì)無(wú)線信道訪問(wèn)進(jìn)行控制[4],負(fù)責(zé)物理相鄰設(shè)備問(wèn)的可靠鏈接,支持關(guān)聯(lián)(Association)

51、和退出關(guān)聯(lián)(Disassociation)以及MAC層安全。MAC層提供兩種服務(wù):MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù),MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。</p><p>  MAC層的主要功能包括以下幾個(gè)方面:</p><p><b>  進(jìn)行信標(biāo)管理。</b></p><p><b>  

52、信道接入。</b></p><p>  保證時(shí)隙(GTS)管理。</p><p>  幀確認(rèn)應(yīng)答幀傳送、連接和斷開(kāi)連接。</p><p>  2.1.3網(wǎng)絡(luò)層(NWK層)</p><p><b>  主要功能:</b></p><p>  NWK層提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址分配,組網(wǎng)管理,消息路

53、由,路徑發(fā)現(xiàn)及維護(hù)等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE 802.15.4.2003MAC子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。NWK層從概念上包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體:數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。</p><p>  網(wǎng)絡(luò)層的功能有以下幾個(gè)方面[5]:</p><p>  1.NWK層的責(zé)任主要包括加入和離開(kāi)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用到的機(jī)制、應(yīng)用幀安全機(jī)制和他們的目的地路由幀機(jī)制。

54、 </p><p>  2.ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>  3.網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。</b></p><p><b>  4.網(wǎng)絡(luò)形成。</b></p><p><b>  5.允許設(shè)備連接。</b></p>

55、;<p><b>  6.斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接。</b></p><p><b>  7.接收機(jī)同步。</b></p><p><b>  8.信息庫(kù)維護(hù)。</b></p><p>  2.1.4應(yīng)用層(APL層)</p><p>  ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(

56、APS子層)、應(yīng)用框架(AF)和ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)。APS子層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)綁定表,綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對(duì)。ZigBee的應(yīng)用框架(AF)為各個(gè)用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象提供了模板式的活動(dòng)空間,并提供了鍵值對(duì)(KVP)服務(wù)和報(bào)文(MSG)服務(wù)供應(yīng)用對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個(gè)設(shè)備允許最多240個(gè)用戶自定義應(yīng)用對(duì)象,分別指定在端點(diǎn)l至端點(diǎn)240上。ZDO[6]可以看成是指配到端點(diǎn)O上的一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象,

57、被所有ZigBee設(shè)備包含,是所有用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象調(diào)用的一個(gè)功能集,包括網(wǎng)絡(luò)角色管理,綁定管理,安全管理等。</p><p>  ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(例如是ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù),發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請(qǐng)求,在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)</p><p>  2.1.5安全服務(wù)提供層(SSP層)</p><

58、;p>  安全服務(wù)提供者SSP(Security Service Provider)向NWK層和APS層提供安全服務(wù)。</p><p>  ZigBee協(xié)議層與層之間是通過(guò)原語(yǔ)進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口,數(shù)據(jù)SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù),管理

59、服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。</p><p>  2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)</p><p>  ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)主要包括設(shè)備類型,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由方式三方面的內(nèi)容,ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[7]分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端節(jié)點(diǎn)(End Device)。節(jié)點(diǎn)類型是網(wǎng)絡(luò)層的概念,反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?。ZigB

60、ee網(wǎng)絡(luò)具有三種拓?fù)湫问剑盒切屯負(fù)洹?shù)型拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)洹?lt;/p><p>  2.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型</p><p>  (1) 協(xié)調(diào)器(Coordinator)</p><p>  在各種拓?fù)湫问降腪igBee網(wǎng)絡(luò)中,有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),它負(fù)責(zé)選擇網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡(luò)并將其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、提供信息路由、安全管理和其他服務(wù)。</p>&

61、lt;p>  (2) 路由器(Router)</p><p>  當(dāng)采用樹(shù)型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),需要用到路由器節(jié)點(diǎn),它也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器,是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離延伸的必要部件。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接受節(jié)點(diǎn)自身信息;節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)信息;允許子節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>  (3) 終端節(jié)點(diǎn)</b></p><p>  終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)就是發(fā)送和

62、接收信息,通常一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時(shí)可進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能耗。</p><p>  2.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?lt;/p><p><b>  (1) 星型拓?fù)?lt;/b></p><p>  星型拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的拓?fù)湫问絒8],如圖2-2。圖中包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一些終端節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊,在兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必

63、須通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),其缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一路徑。</p><p>  星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩類:一類是中心節(jié)點(diǎn)僅完成從節(jié)點(diǎn)連通的作用;另一類是,中心節(jié)點(diǎn)是有很強(qiáng)處理能力的計(jì)算機(jī),從節(jié)點(diǎn)是一般的計(jì)算機(jī)或終端,這時(shí)中心節(jié)點(diǎn)有轉(zhuǎn)接和數(shù)據(jù)處理的雙重功能。強(qiáng)的中心節(jié)點(diǎn)成為各從節(jié)點(diǎn)共享的資源,中心節(jié)點(diǎn)也可以按儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)方式工作。</p><p>  圖2-2 星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p>

64、<p><b>  (2)樹(shù)型拓?fù)?lt;/b></p><p>  樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3。協(xié)調(diào)器可以連接路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn),子節(jié)點(diǎn)的路由器節(jié)點(diǎn)也可以連接路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。直接通信只可以在父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行,非父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)只能間接通信。</p><p>  樹(shù)形拓?fù)溥m用于相鄰層的通信較多的情況,典型的應(yīng)用層是最低層節(jié)點(diǎn)解決不了的問(wèn)題,請(qǐng)求中層計(jì)算

65、機(jī)解決,中層計(jì)算機(jī)解決不了的問(wèn)題,請(qǐng)求頂部計(jì)算機(jī)解決。</p><p><b>  (3)網(wǎng)狀拓?fù)?lt;/b></p><p>  網(wǎng)狀拓?fù)淙鐖D2-4。網(wǎng)狀拓?fù)渚哂徐`活路由選擇方式,如果某個(gè)路由路徑出現(xiàn)問(wèn)題,信息可自動(dòng)沿其他路徑進(jìn)行傳輸。任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可相互傳輸數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)按照Z(yǔ)igBee協(xié)議算法選擇最優(yōu)化路徑,以使網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定,通訊更有效率。</p>&l

66、t;p>  網(wǎng)狀拓?fù)涓鞴?jié)點(diǎn)的距離很長(zhǎng),某些節(jié)點(diǎn)間是否用點(diǎn)—點(diǎn)線路專線連接,要依據(jù)其間的信息流量以及網(wǎng)絡(luò)所處的地理位置而定。如果某些節(jié)點(diǎn)間的通信可由其他中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)且不甚影響網(wǎng)絡(luò)性能,可不必直接互聯(lián)。因此在地域范圍很廣節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí),都是部分節(jié)點(diǎn)連接的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部分節(jié)點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)必然帶來(lái)由中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而相互通信的現(xiàn)象,稱此為交換。</p><p><b>  2.3工作模式</b>&

67、lt;/p><p>  ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)(Beacon)模式和非信標(biāo)(Non-beacon)模式兩種[9]。信標(biāo)模式可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠,以達(dá)到最大限度地節(jié)省功耗,而非信標(biāo)模式只允許ZE進(jìn)行周期性休眠,協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。</p><p>  在信標(biāo)模式下,協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間(一般在15ms--4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信

68、標(biāo)幀,兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)相同的時(shí)槽,這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分,消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各個(gè)時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。</p><p>  非信標(biāo)模式下,ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù),終端節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制,實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點(diǎn)需要為自己的子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀,所有子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài),周期性的醒來(lái)與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)

69、絡(luò)中,并向</p><p>  父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù),其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。</p><p>  3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p><b>  3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)</b></p><p>  本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)以C51RF-3-PK開(kāi)發(fā)平臺(tái)為核心,使用了兩塊表演板,利用芯片自帶

70、的溫度傳感器采集溫度值,充分發(fā)揮了C51RF-3-PK開(kāi)發(fā)平臺(tái)的豐富資源[22]。在上位機(jī)上,采集的溫度實(shí)時(shí)地顯示出來(lái),并且通過(guò)折線圖動(dòng)態(tài)描繪出溫度的變化趨勢(shì)??紤]到可能采集多個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度,上位機(jī)可以根據(jù)客戶要求切換不同節(jié)點(diǎn)的溫度折線圖。為了方便對(duì)以往數(shù)據(jù)的查看,采集到的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)保存到了文檔之中。</p><p>  本文總體設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)針對(duì)主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。主協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)中包括CC2430通信模塊、

71、鍵盤電路模塊、串口轉(zhuǎn)USB模塊、液晶顯示模塊和電源電路模塊等[10]。主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的消息,并向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布網(wǎng)絡(luò)控制信息,同時(shí)與Pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中串口轉(zhuǎn)USB模塊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換CC2430模塊與PC機(jī)的通信信號(hào);液晶顯示模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的指示;電源模塊通常采用持續(xù)電力供電,為主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。</p><p>  溫度傳感模塊的核心元件為Pt100鉑電阻

72、,它是正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器,線性較好,在0~100℃之間變化時(shí),最大非線性偏差小于0.5℃。另外,Pt100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)[11]。模塊框圖如圖3-2所示。</p><p>  3.2 溫度采集系統(tǒng)原理</p><p>  本系統(tǒng)由三類節(jié)點(diǎn)組成:ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)。圖3-3所示是其組成示意圖,其中ZigBee協(xié)調(diào)器是

73、分布式處理中心,即匯聚節(jié)點(diǎn)。多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)置于不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)先把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn),然后匯聚節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位機(jī)做進(jìn)一步處理并顯示給用戶。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信,這樣可以使本系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)區(qū)域,何時(shí)檢測(cè)哪個(gè)區(qū)域通常由用戶通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來(lái)控制。當(dāng)被檢測(cè)區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距離傳感器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),可以通過(guò)增加路由器節(jié)點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。當(dāng)用戶沒(méi)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),傳感器節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行低功耗的信道掃描。&

74、lt;/p><p>  4 溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>  4.1 zigbee芯片選擇和簡(jiǎn)介</p><p>  4.1.1 zigbee芯片的選擇</p><p>  現(xiàn)在的ZigBee芯片包括單芯片和ZigBee射頻芯片兩種芯片廠商提供的主力ZigBee射頻芯片在性能上大同小異。比較流行的freescale的mc13192和c

75、hipcon的cc2420以及Ember公司的芯片,它們?cè)谛阅苌匣鞠嗤?,都支持IEEE802.15.4協(xié)議。射頻芯片通過(guò)SPI接口與MCU相連,由MCU進(jìn)行控制。所謂單芯片,就是一個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻部分和MCU[18]。以chipcon公司的cc2430為例,他將cc2420芯片與一個(gè)51單片機(jī)集成在同一篇芯片上,其體積與一個(gè)cc2420芯片差不多。從應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看,選擇cc2430或者選擇cc2420外加一個(gè)帶有S

76、PI接口的單片機(jī),軟件設(shè)計(jì)是沒(méi)有太大區(qū)別的,尤其是MAC層以上是完全相同的。但從硬件開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看,單芯片方案卻比雙芯片方便很多。在雙芯片方案中,MCU和射頻芯片之間用SPI接口相連,增加的布線的復(fù)雜性。而在高速PCB設(shè)計(jì)上,任何額外的布線和芯片數(shù)目的增加,都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響,必須謹(jǐn)慎地選擇芯片布置的位置和走線。因此增加了PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試的復(fù)雜性。從成本上看cc2430和cc2420價(jià)</p><p>

77、  4.1.2 CC2430簡(jiǎn)介</p><p>  CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案[12]。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用,及對(duì)低成本,低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。 </p><p>  CC2430的尺寸只有7

78、15;7mm 48-pin的封裝,采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18微米 CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這可實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶處理器,RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲(chǔ)器 整合在同一個(gè)硅晶片上。 </p><p>  CC2430包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核,運(yùn)行時(shí)鐘32MHz。 </p><p>  CC2430包含一個(gè)DMA控制器。8K字節(jié)靜態(tài)RAM,其中的4K字節(jié)是超低功耗SRAM。32K,64K或

79、128K字節(jié)的片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲(chǔ)器。 </p><p>  CC2430集成了4個(gè)振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作:一個(gè)32MHz晶體振蕩器,一個(gè)16MHz RC-振蕩器,一個(gè)可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個(gè)可選的32.768kHz RC 振蕩器。 </p><p>  CC2430也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個(gè)AES協(xié)處理器被集成在CC2430之中,

80、用來(lái)支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的(128位關(guān)鍵字)AES的運(yùn)行,以盡可能少的占用微控制器。 </p><p>  中斷控制器為總共18個(gè)中斷源提供服務(wù),他們中的每個(gè)中斷都被賦予4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中的某一個(gè)。調(diào)試接口采用兩線串行接口,該接口被用于在電路調(diào)試和外部Flash編程。I/O控制器的職責(zé)是21個(gè)一般I/O口的靈活分配和可靠控制。 </p><p>  CC2430包

81、括四個(gè)定時(shí)器:一個(gè)16位MAC定時(shí)器,用以為IEEE 802.15.4的CSMA-CA算法提供定時(shí)以及為IEEE 802.15.4的MAC層提供定時(shí)。一個(gè)一般的16位和兩個(gè)8位定時(shí)器,支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能,例如,輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。 </p><p>  CC2430內(nèi)集成的其他外設(shè)有: 實(shí)時(shí)時(shí)鐘;上電復(fù)位;8通道,8-14位ADC;可編程看門狗;兩個(gè)可編程USART,用于主/從SPI或UART操

82、作。 </p><p>  為了更好的處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬,CC2430集成了大多數(shù)對(duì)定時(shí)要求嚴(yán)格的一系列IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議,以減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。這包括:自動(dòng)前導(dǎo)幀發(fā)生器、同步字插入/檢測(cè)、CRC-16校驗(yàn)、CCA、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)/數(shù)字RSSI、連接品質(zhì)指示(LQI) 和CSMA/CA協(xié)處理器。</p><p>  4.1.3 CC2430 芯片的主要特點(diǎn)</

83、p><p>  CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構(gòu),在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻(RF) 前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1 個(gè)8 位MCU(8051),具有128 KB 可編程閃存和8 KB 的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power O

84、n Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown out detection),以及21 個(gè)可編程I/O 引腳。</p><p>  CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn);在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低 于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。</p><p>  CC2430芯片的主要特

85、點(diǎn)如下[13]: </p><p>  1. 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 </p><p>  2. 集成符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz 的 RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)。    </p><p>  3. 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。   

86、 </p><p>  4. 在休眠模式時(shí)僅0.9 μA 的流耗,外部的中斷或RTC 能喚醒系統(tǒng);在待機(jī)模式時(shí)少于0.6 μA 的流耗,外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。    </p><p>  5. 硬件支持CSMA/CA 功能。 </p><p>  6. 較寬的電壓范圍

87、(2.0~3.6 V)。   </p><p>  7. 數(shù)字化的RSSI/LQI 支持和強(qiáng)大的DMA 功能。   </p><p>  8.具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。   </p><p>  9. 集成了14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。   

88、 </p><p>  10. 帶有 2 個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,以及1個(gè)符合IEEE 802.15.4 規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器,1個(gè)常規(guī)的16 位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。    </p><p>  11. 強(qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。</p><p>  4.1.4 I/O 端口線引腳功能</p><

89、;p>  CC2430 有21個(gè)可編程的I/O 口引腳,P0、P1口是完全的8位口,P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR 寄存器的位和字節(jié),可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。 </p><p>  I/O 口有下面的關(guān)鍵特性[14]:</p><p>  1.可設(shè)置為通常的I/O口,也可以設(shè)置為外圍I/O口使用。

90、</p><p>  2.在輸入時(shí)有上拉和下拉能力。</p><p>  3.全部21個(gè)數(shù)字I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的終端能力。如果需要外部設(shè)備,可對(duì)I/O口引腳產(chǎn)生中斷,同時(shí)外部的中斷事件也能被用來(lái)喚醒休眠式。</p><p>  1~6 腳(P1_2~P1_7):具有 4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>  8~9 腳(P1_0~

91、P1_1):具有 20 mA 的驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>  11~18 腳(P0_0 ~P0_7):具有 4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>  43,44,45,46,48 腳(P2_4,P2_3,P2_2,P2_1,P2_0):具有4</p><p>  mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。</p><p><b>  電源線引腳功能

92、:</b></p><p>  7腳(DVDD):為 I/O 提供2.0~3.6 V 工作電壓。</p><p>  20 腳(AVDD_SOC):為模擬電路連接2.0~3.6 V 的電壓。</p><p>  23 腳(AVDD_RREG):為模擬電路連接2.0~3.6 V 的電壓。</p><p>  24 腳(RREG_OU

93、T):為 25,27~31,35~40引腳端口提供1.8 V的穩(wěn)定電壓</p><p>  25 腳(AVDD_IF1 ):為接收器波段濾波模擬測(cè)試模塊和VGA的第一部電路提供1.8 V壓。</p><p>  27 腳(AVDD_CHP): 為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供1.8 V 電壓。</p><p>  28 腳(VCO_GUARD):VCO 屏蔽電

94、路的報(bào)警連接端口。</p><p>  29 腳(AVDD_VCO):為VCO 和PLL 環(huán)濾波器最后部分電路提供1.8 V 電壓</p><p>  30 腳(AVDD_PRE): 為預(yù)定標(biāo)器、Div 2 和LO 緩沖器提供1.8 V 的電壓。</p><p>  31 腳(AVDD_RF1): 為L(zhǎng)NA、前置偏置電路和PA 提供1.8 V 的電壓。</p&

95、gt;<p>  33 腳(TXRX_SWITCH): 為PA 提供調(diào)整電壓。</p><p>  35 腳(AVDD_SW): 為L(zhǎng)NA/PA 交換電路提供1.8 V 電壓。</p><p>  36 腳(AVDD_RF2): 為接收和發(fā)射混頻器提供1.8 V 電壓。</p><p>  37 腳(AVDD_IF2): 為低通濾波器和VGA 的最后部

96、分電路提供1.8 V 電壓。</p><p>  38 腳(AVDD_ADC): 為ADC 和DAC 的模擬電路部分提供1.8 V 電壓。</p><p>  39 腳(DVDD_ADC): 為ADC 的數(shù)字電路部分提供1.8 V 電壓。 </p><p>  40 腳(AVDD_DGUARD): 為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。   

97、 </p><p>  41 腳(AVDD_DREG): 向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.0~3.6 V 電壓。    </p><p>  42 腳(DCOUPL): 提供1.8 V 的去耦電壓,此電壓不為外電路所使用。   </p><p>  47 腳(DVDD): 為I/O 端口提供2.0~3.6 V 的電壓。    </p><p

98、>  控制線引腳功能:    </p><p>  10 腳(RESET_N): 復(fù)位引腳低電平有效。    </p><p>  19 腳(XOSC_Q2): 32 MHz 的晶振引腳2。    </p><p>  21 腳(XOSC_Q1): 32 MHz

99、的晶振引腳1,或外部時(shí)鐘輸入引腳。    </p><p>  22 腳(RBIAS1): 為參考電流提供精確的偏置電阻。    </p><p>  26 腳(RBIAS2): 提供精確電阻,43 kΩ±1%。    </p><p>  32 腳(RF_P):在RX期間向LN

100、A輸入正向射頻信號(hào):TX期間接收來(lái)PA的</p><p>  輸入正向射頻信號(hào)。    </p><p>  34 腳(RF_N): 在RX期間向LNA輸入負(fù)向射頻信號(hào):在TX期間接收來(lái)自</p><p>  PA 的輸入負(fù)向射頻信號(hào)。   

101、 </p><p>  43 腳(P2_4/XOSC_Q2):32.768 kHz XOSC 的2.3端口。</p><p>  4.1.5 CC2430 外圍電路</p><p>  CC2430芯片需要很少的外圍部件的配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能[15]。圖4—1為CC2430芯片的一種典型硬件應(yīng)用電路。</p><p>  圖中C1

102、,C2為22pf的電容,連接32MHZ的晶振電路,此石英晶振用于正常工作使用。C3,C4為15pf的電容,連接32.768KHZ的晶振電路,此石英晶振用于休眠時(shí)工作,這樣就能夠降低它的工作損耗。C5為0.1μf的電容,用來(lái)去除一些雜波的干擾,從而有效的防止的單片機(jī)的錯(cuò)誤復(fù)位。C6是100nf的電容,C7為220nf的電容,C8為220nf的電容。這些電容用作濾波,去除雜波的干擾使電壓能夠更加的穩(wěn)定。電路中使用非平衡天線,連接非平衡變壓器

103、可使天線性能更好。C9為5.6pf的電容,電路中非平衡的變壓器就是由C9和電感L1,L2,L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線路組成的。整個(gè)的結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。L1為8.2nh的電感,L2為22nh的電感,L3是1.8nh。C10,C11為去耦合電容,用來(lái)電源濾波,這樣就可以提高了芯片工作的穩(wěn)定性。偏置電阻器R1和R2分別是43KΩ,56KΩ。R1用來(lái)為32MHZ晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流。</p>

104、<p>  4.1.6 CC2430應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)</p><p>  系統(tǒng)內(nèi)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量的微型ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)(即ZigBee終端RFD節(jié)點(diǎn))和ZigBee FFD網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[17]。其應(yīng)用電路硬件框圖如圖所示</p><

105、;p>  4.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>  4.2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>  ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖4-4所示,該節(jié)點(diǎn)由無(wú)線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。RF的輸入/輸出是高阻和差動(dòng)的。當(dāng)使用不平衡天線(例如單極天線)時(shí),為了優(yōu)化性能,應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。不平衡變壓器可以運(yùn)行在使用低成本的單獨(dú)電感器和電容

106、器的場(chǎng)合。電源模塊用于CC2430的數(shù)字I/O和部分模擬I/O的供電,供電電壓為2.0~3.6 V。CC2430可以同時(shí)接32 MHz和32.768kHz的兩種頻率的晶振電路,以滿足不同的要求。串口電路用于CC2430將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),由于上位機(jī)與CC2430的電平不一致,所以需要一個(gè)MAX232電平轉(zhuǎn)換電路。</p><p>  4.2.2 路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p&g

107、t;  路由器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是將不同區(qū)域的數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點(diǎn)路由到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),因此,該電路比較簡(jiǎn)單,該節(jié)點(diǎn)由無(wú)線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊和晶振電路組成。</p><p>  4.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>  傳感器節(jié)點(diǎn)和硬件設(shè)計(jì)如圖3-3所示,該節(jié)點(diǎn)由無(wú)線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。由于CC2430芯片本身帶有溫

108、度傳感器,因而本實(shí)驗(yàn)直接采用了CC2430的內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度。但是該溫度傳感器的精度有限,如果要求更高的精度,可以擴(kuò)展出一個(gè)溫度傳感器,如LM94002。</p><p>  下面對(duì)每個(gè)部分的功能和指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)介紹:</p><p>  (1)信息收集終端:即協(xié)調(diào)器,放置于監(jiān)控室, 完成網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù),和節(jié)點(diǎn)之間綁定的建立,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總,然后以有線的方式傳送到上位機(jī)軟件,進(jìn)行進(jìn)一

109、步數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計(jì)采用RS-232串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。</p><p>  (2)溫度采集終端:即節(jié)點(diǎn),放置在需要采集溫度的地方。溫度采集終端可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的加入、與協(xié)調(diào)器綁定的建立、溫度的檢測(cè)。檢測(cè)到的溫度通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。</p><p>  (3)上位機(jī):位于監(jiān)控室,完成對(duì)所采集溫度的匯總與顯示。采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到文檔中,同時(shí)以折線圖的形式實(shí)時(shí)反映出

110、溫度的變化趨勢(shì),使其更為直觀。顯示的折線圖可以在不同節(jié)點(diǎn)之間切換。</p><p><b>  4.3電源供電電路</b></p><p>  220V交流電經(jīng)過(guò)變壓器降壓后得到9V交流電,然后經(jīng)過(guò)整流橋全波整流,電容濾波穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定的5V直流電源。本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓芯片7805來(lái)獲得所需直流穩(wěn)壓電源。7805的電壓輸入范圍較寬,輸入電壓在7V-36V之間都可實(shí)現(xiàn)良好的

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