畢業(yè)設計（論文）基于tc35i模塊與CC2430模塊的通信接口設計

1、西西 安安 郵郵 電電 學學 院院 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）文） 題 目：基于 tc35i 模塊與 cc2430 模塊的通信接口設計 院 （系）： 通信與信息工程學院 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 通工 0705 班 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 工程師 起止時間： 2011 年 3 月 15 日至 2011 年 6 月 18 日 西西 安安 郵郵 電電 學學 院院 畢業(yè)設計畢業(yè)設計( (論文論文) )任務書任務書 學生姓名學生姓名指導教師指導教師職稱職稱工程師工程師 院院(系系)通信與信息工程學院通信與信息工程學院專業(yè)專業(yè)通信工程通信工程 題目題目基于基于 tc35itc35i

2、 模塊與模塊與 cc2430cc2430 模塊的通信接口設計模塊的通信接口設計 任務與要求任務與要求 本題目應完成的工作，題目預期目標和成果形式：本題目應完成的工作，題目預期目標和成果形式： 本題目主要熟悉數(shù)據(jù)從用戶手機端通過 gsm 網(wǎng)絡到達 tc35i 模塊，然后經(jīng)過 zigbee 協(xié)調(diào)器解析，最終到達 cc2430 模塊，然后將 cc2430 模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器傳遞給 tc35i 模塊，然后發(fā)送回用戶。這整個過程的完成要建立在對 zigbee 協(xié)調(diào)器與 cc2430 模 塊間通信技術的充分理解以及對 tc35i 的通信原理和數(shù)據(jù)處理方式的透徹分析的基礎之上， 然后通過程序控制其完成

3、相應的功能，最后將程序下載到硬件上去調(diào)試及測試。 1、了解課題所研究的內(nèi)容，tc35i、cc2430 及其使用的 iar 環(huán)境的概況。 2、準備相關理論材料，主要是常用 at 指令的功能，以及無線通信原理、無線單片機 等相關資料。 3、使用開發(fā)套件對 cc2430 模塊進行實驗研究，掌握 zigbee 技術的核心軟件。 4、將 tc35i 模塊與 zigbee 協(xié)調(diào)器結(jié)合起來進行調(diào)試，實現(xiàn)應用軟件開發(fā)的特定功能。 5、對應用軟件進行優(yōu)化設計，下載到硬件電路之后進行調(diào)試以及測試。 6、提交畢業(yè)論文，完成答辯。 開始日期開始日期完成完成 日期日期 院長院長(簽字簽字)年年月月日日 西西 安安 郵郵

4、 電電 學學 院院 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 ( (論文論文) ) 工工 作作 計計 劃劃 學生姓名學生姓名 指導教師指導教師 職稱職稱 工程師工程師 院院( (系系) ) 通信與信息工程學院通信與信息工程學院 專業(yè)專業(yè) 通信工程通信工程 題目題目 基于基于 tc35itc35i 模塊與模塊與 cc2430cc2430 模塊的通信接口設計模塊的通信接口設計 工作進程工作進程 1 月 3 日至 1 月 15 日 搜集相關資料，了解 tc35i 和 cc2430 的相關技術。 1 月 16 日至 1 月 31 日 學習 tc35i 信息的傳輸方式 2 月 1 日至 2 月 20 日 學習 cc243

5、0 的數(shù)據(jù)接收和傳送模式 2 月 21 日至 3 月 31 日 掌握數(shù)據(jù)在 tc35i 和 cc2430 中的傳輸及轉(zhuǎn)換過程 4 月 1 日至 4 月 20 日 對 tc35i 和 cc2430 之間的接口進行完成基本功能的設計 嘗 試 4 月 21 日至 5 月 10 日 對接口進行進一步的功能完善和性能檢測 5 月 11 日至 5 月 31 日 撰寫論文，完成論文初稿 6 月 1 日至 6 月 5 日 完善并修改畢業(yè)論文 6 月 6 日至 6 月 10 日 準備答辯。 起 止 時 間 工 作 內(nèi) 容 主要參考書目(資料) zigbee2006 無線網(wǎng)絡與無線定位實戰(zhàn)北京航空航天大學出版社

6、zigbee 無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)北京航空航天大學出版社 zigbee 技術及應用北京航空航天大學出版社 單片機應用設計培訓教程實踐篇北京航空航天大學出版社 主要儀器設備及材料 c51rf-3-pk 無線 zigbee 協(xié)議棧高級開發(fā)工具箱 v3.01： 1)cc2430 無線單片機 c51rf-3 實時在線仿真器(usb 接口) 一個； 2)cc2430 2.4ghz 高頻無線目標模塊 3 個； 3)cc2430/cc2431 擴展無線網(wǎng)絡表演板(帶圖形 lcd)2 個； 4)配套電纜/電源/電池盒。 pc 機一臺 每周星期四上午到教研室匯報工作進度，聽取老師的意見 該計劃主要是對 zig

7、bee 技術和 tc35i 通信方式的認識，對 cc2430 模塊相應控制代碼的 編寫，下載到硬件電路板之后的整體調(diào)試。 論文(設計)過程中教師的指導安排 對計劃的說明 西安郵電學院 畢業(yè)設計(論文)開題報告 通信與信息工程學院 院（系） 通信工程 專業(yè) 07 級 05 班 課題名稱：基于基于 tc35itc35i 模塊與模塊與 cc2430cc2430 模塊的通信接口設計模塊的通信接口設計 學生姓名： 學號： 指導教師： 報告日期： 2011 年 3 月 24 日 1本課題所涉及的問題及應用現(xiàn)狀綜述 本課題所涉及的問題：本課題所涉及的問題： 本課題主要是解決 tc35i 模塊和 cc2430

8、 模塊間的數(shù)據(jù)傳輸原理，包括端口配置、數(shù)據(jù)組織 形式和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。 應用現(xiàn)狀及前景綜述：應用現(xiàn)狀及前景綜述： tc35i 模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶 提供標準的 at 命令接口，主要應用于 gsm 網(wǎng)絡，具備 gsm 無線通信的全部功能，支持 text 和 pdu 模式的短消息編碼方式，方便用戶的開發(fā)設計及應用。 cc2430 單片機是一種在單個芯片上整合了射頻、內(nèi)存和微處理器的高性能單片機，能以無 線的方式與其他的交換節(jié)點進行數(shù)據(jù)的傳輸，并能通過串口相連與其他設備交換數(shù)據(jù)，具備無線 和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸能力。 目前，在全球范圍內(nèi)，由小型單片機組成

9、的無線傳感網(wǎng)絡和通信網(wǎng)的組合使智能化的遠程控 制成為可能，最具典型的模型就是 gsm 網(wǎng)絡和單片機的組合，使人們在遠離監(jiān)控環(huán)境的條件下能 以一條簡單的短信就能實時了解監(jiān)控區(qū)的環(huán)境。在實際應用中，通信網(wǎng)絡和無線傳感網(wǎng)絡間的通 信成為研究的熱點，也是制約這種系統(tǒng)普遍推廣因素。一個合理的基于 tc35i 模塊與 cc2430 模 塊的通信接口設計將大大推廣此類技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通運輸?shù)刃枰h程控制的領域的 應用和發(fā)展。 2本課題需要重點研究的關鍵問題、解決的思路及實現(xiàn)預期目標的可行 性分析 關鍵問題：關鍵問題： 1. tc35i 的數(shù)據(jù)接收、傳輸方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2. cc2430 模塊的數(shù)據(jù)

10、接收和傳輸模式以及其對數(shù)據(jù)的處理機制 解決思路：解決思路： 首先，通過分析課題的研究要求和內(nèi)容，翻閱相關資料，盡快的對兩種通信技術有個大致的 了解，熟悉個模塊的基本功能。 其次，在對模塊的功能有了大致的了解的基礎上，進一步對數(shù)據(jù)在進入模塊到從模塊輸出期 間，其格式的變換，從而找到各個模塊對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換機制，以便得出各個模塊對從接口進入的數(shù) 據(jù)的格式的要求，進而更合理的設計滿足它們需求的數(shù)據(jù)接口。 最后通過老師的指導和自己在實際操作過程中的問題，參閱相關書籍和資料，對各個方案進 行科學、合理的論證，得出最后的解決方案，達到預期的研究結(jié)果。 實現(xiàn)預期目標的可行性：實現(xiàn)預期目標的可行性： 通過開放實驗

11、、科技競賽已具備對 tc35i 模塊和 cc2430 模塊的進行開發(fā)的基礎， 同時實驗室能夠提供這些芯片資料、以及實際模塊來完成硬件方面的開發(fā)。 我相信，在老師的指導和自己的努力下，通過合理安排時間、科學的計劃和進 行設計作業(yè)，最后能達到預期的成果。 3完成本課題的工作方案 1 月 3 日至 1 月 15 日 搜集相關資料，了解 tc35i 和 cc2430 的相關技術。 1 月 16 日至 1 月 31 日 學習 tc35i 信息的傳輸方式 2 月 1 日至 2 月 20 日 學習 cc2430 的數(shù)據(jù)接收和傳送模式 2 月 21 日至 3 月 31 日 掌握數(shù)據(jù)在 tc35i 和 cc24

12、30 中的傳輸及轉(zhuǎn)換過程 4 月 1 日至 4 月 20 日 對 tc35i 和 cc2430 之間的接口進行完成基本功能的設計嘗試 4 月 21 日至 5 月 10 日 對接口進行進一步的功能完善和性能檢測 5 月 11 日至 5 月 31 日 撰寫論文，完成論文初稿 6 月 1 日至 6 月 5 日 完善并修改畢業(yè)論文 6 月 6 日至 6 月 10 日 準備答辯。 4指導教師審閱意見 指導教師指導教師(簽字)： 2011 年 3 月 24 日 說明： 本報告必須由承擔畢業(yè)論文(設計)課題任務的學生在畢業(yè)論文(設計) 正式開始的第 1 周 周五之前獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 西西安安

13、郵郵電電學學院院畢畢業(yè)業(yè)設設計計 ( (論論文文) )成成績績評評定定表表 學生姓名性別男學號 專 業(yè) 班 級通工 0705 班 課題名稱基于 tc35i 模塊與 cc2430 模塊的通信接口設計 課題 類型 硬件設 計類 難 度 難 畢業(yè)設計 （論文）時 間 2011 年年3 月月15 日日6 月月 18 日日 指導教師 鄭娟毅 (職稱 工程師) 課題任務 完成情況 論文 (千字)； 設計、計算說明書 (千字)； 圖紙 (張)； 其它(含附件)： 指導教師意見 分項得分：開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分； 論文撰寫（規(guī)范） 分； 學習態(tài)度 分； 外文翻譯 分 指導教師

14、審閱成績：指導教師(簽字)： 2010年 月 日 評 閱 教 師 意 見 分項得分：選題 分； 開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分； 論文撰寫（規(guī)范） 分； 外文翻譯 分 評閱成績： 評閱教師(簽字)： 2010 年 月 日 驗 收 小 組 意 見 分項得分：準備情況 分； 畢業(yè)設計（論文）質(zhì)量 分； （操作）回答問題 分 驗收成績：驗收教師(組長)(簽字)： 2010 年 月 日 答 辯 小 組 意 見 分項得分：準備情況 分； 陳述情況 分； 回答問題 分； 儀表 分 答辯成績： 答辯小組組長(簽字)： 2010 年 月 日 成績計算方法 (填寫本系實用比例 ) 指導

15、教師成績指導教師成績 20 () 評閱成績評閱成績 30 () 驗收成績驗收成績 30 () 答辯成績答辯成績 20 () 學生實得成績(百分制) 指導教師成績指導教師成績 評閱成績評閱成績 驗收成績驗收成績 答辯成績答辯成績 總評總評 答 辯 委 員 會 意 見 畢業(yè)論文(設計)總評成績(等級)： 院(系)答辯委員會主任(簽字)： 院(系) (簽章) 2010 年 月 日 備 注 西安郵電學院畢業(yè)論文(設計)成績評定表(續(xù)表) 目錄目錄 目錄目錄-i 摘摘 要要-iii abstract -iv 引言引言-1 1.tc35i 與與 zigbee 簡單介紹簡單介紹 -2 1.1tc35i-2

16、1.1.1概述-2 1.1.2 tc35i模塊通信原理-2 1.2 zigbee技術-3 1.2.1 zigbee技術簡介-3 1.2.2 zibee技術的應用-3 1.2.3 zigbee技術的特點-5 2.接口設計接口設計 -5 2.1 接口設計整體方案 -5 2.2 硬件設計 -6 2.3 軟件設計 -7 3.系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計 -7 3.1 cc2430 模塊 3.1.1 cc2430 芯片簡介 -7 3.1.2 cc2430 內(nèi)部結(jié)構(gòu)-7 3.1.3 cc2430硬件應用電路-9 3.2 tc35i模塊硬件應用電路 -10 3.3 串口通信 -11 3.3.1 定義-11 3.

17、3.2原理-11 3.3.3接口-12 3.4.4作用-13 3.3.5常用的串口調(diào)試工具介紹-13 4系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計-14 4.1iar 開發(fā)系統(tǒng)簡介 -14 4.2 系統(tǒng)整體方案 -15 4.3 tc35i模塊與 zigbee協(xié)調(diào)器間通信的開發(fā)方案-16 4.3.1 常用at指令介紹-16 4.3.2 調(diào)試方法-16 4.4 zigbee協(xié)調(diào)器與 cc2430 模塊間的通信設計-17 4.4.1 ieee 802.15.4/zigbee協(xié)議-17 4.4.2 zigbee協(xié)調(diào)器與cc2430模塊的通信方式-18 致謝致謝-19 參考文獻參考文獻-20 附錄附錄-21 摘摘 要要

18、在科技飛速發(fā)展的今天，人們對智能化的要求越來越高。自 zigbee 技術問世以 來，基于 zigbee 技術的各種應用已深入到人們的生活中的方方面面。在工業(yè)、交通、 家居、農(nóng)業(yè)等領域，裝有支持 zigbee 通信協(xié)議的智能化芯片 cc2430 加入到各個終 端，使各個終端工作在固定的網(wǎng)絡中，可以方便管理者的統(tǒng)一管理與調(diào)度。然而怎 么才能將此智能網(wǎng)絡與現(xiàn)有的通信網(wǎng)結(jié)合起來，達到遠程、智能的控制與管理的目 的呢？基于此，我提出了一個基于 tc35i 模塊與 cc2430 模塊的通信接口設計的解決 方案。該方案由于融合了無線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，保證了數(shù)據(jù)在兩個模塊間 的傳輸可靠性的同時也將進一步

19、擴展它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和交通運輸?shù)阮I域的應 用。 關鍵字：zigbee、tc35i 模塊、cc2430 模塊 abstract as the technology develops,people have higher expectation for intelligent.since the technique of zigbee came out,the applications that based on it have spreaded to all aspects of our daily lives. in industrial, transportation, househol

20、d,agriculture and other fields,the terminal with the intelligent chip cc2430 that support the zigbee communication protocol facilitates management.but how to combine the intelligent network with the telecommunication network to remote, intelligent control and management?based on this situation,a sol

21、ution for the design of a communication interface between tc35i and cc2430 is proposed.for this design has combined the wired and wireless data transmission style,the reliability of the data between the two modules is assured,and it will also extend the usage among industrial,agriculture,medical tre

22、atment and transportation and other fields. keywords: zigbee,tc35i module,cc2430 module 引言引言 隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，家用電器對遠程監(jiān)控技術的要求也在 不斷提高。近年來移動通信網(wǎng)絡的日益擴大，使手機短消息業(yè)務得到了飛速發(fā)展， 各種基于短消息收發(fā)的增值業(yè)務也日益產(chǎn)生?；诙滔?shù)據(jù)交換的技術，由于省 略了龐大的網(wǎng)絡建設投資和維護費用，對于一些分布廣泛、信息點密度系數(shù)、信息 點經(jīng)常移動的系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢。利用現(xiàn)有的 gsm（global system for mobile communicat

23、ion）網(wǎng)絡資源，發(fā)揮網(wǎng)絡覆蓋率高、傳輸特性好等優(yōu)勢，為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)提供一種更便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，這必將成為今后智能電子的發(fā)展趨勢。 tc35i 模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一 體，向用戶提供標準的 at 命令接口，主要應用于 gsm 網(wǎng)絡，具備 gsm 無線通信的 全部功能，支持 text 和 pdu 模式的短消息編碼方式，方便用戶的開發(fā)設計及應用。 zigbee（ieee802.15.4）技術是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術，功耗 低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。它同樣使用 2.4ghz 波段， 采用跳頻技術和擴頻技術。另

24、外，它可與 254 個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)。節(jié)點可以包括儀器和家 庭自動化應用設備。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安 全系統(tǒng)等領域有很大的發(fā)展空間。 為了最大限度的利用現(xiàn)有的 gsm 網(wǎng)絡和發(fā)揮 zigbee 這種短距離無線通信技術 在智能控制領域的作用，一個合理的基于 tc35i 模塊與 cc2430 模塊的通信接口設計 將大大推廣此類技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通運輸?shù)刃枰h程控制的領域的應用 和發(fā)展。 1.tc35i 與與 zigbee 簡單介紹簡單介紹 1.1tc35i 1.1.1 概述概述 tc35i 短信模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，支持雙頻 900/1800mh

25、z。在 gsm 網(wǎng)絡日臻完善的今天，tc35i 短信模塊秉承了西門子一貫的優(yōu) 秀品質(zhì)，它易于集成，集射頻電路、基帶于一體。在遠程監(jiān)控和無線公話以及無線 pos 終端等領域，tc35i 短信模塊都能發(fā)揮作用。用戶主要通過標準的 at 指令對其 進行控制，支持 text 和 pdu 兩種模式的短信編碼方式，可以方便用戶根據(jù)實際需 要對其進行開發(fā)設計。 1.1.2 tc35i 模塊通信原理模塊通信原理 tc35i 模塊提供的命令接口符合 gsm07.05 和 gsm07.07 規(guī)范。gsm07.07 中定 義的 at command 接口，提供了一種移動平臺與數(shù)據(jù)終端設備之間的通用接口。用 戶通過向

26、 tc35i 模塊發(fā)送 at 指令來對其進行控制。tc35i 模塊與 gsm 網(wǎng)絡的通信通 過無線方式進行，與 cc2430 模塊的數(shù)據(jù)傳輸主要通過串口進行，cc2430 通過串口 向 tc35i 模塊傳送 at 指令對其進行控制。 at 即 attention，at 指令集是從終端設備(terminal equipment，te)或數(shù)據(jù)終端 設備(data terminal equipment，dte)向終端適配器(terminal adaptor， ta)或數(shù)據(jù)電 路終端設備(data circuit terminal equipment，dce)發(fā)送的。通過 ta，te 發(fā)送 at 指令

27、 來控制移動臺(mobile station，ms)的功能，與 gsm 網(wǎng)絡業(yè)務進行交互。用戶可以通 過 at 指令進行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務、傳真等方面的控制。90 年代初， at 指令僅被用于 modem 操作。沒有控制移動電話文本消息的先例，只開發(fā)了一種 叫 sms block mode 的協(xié)議，通過終端設備(te)或電腦來完全控制 sms。幾年后，主 要的移動電話生產(chǎn)廠商諾基亞、愛立信、摩托羅拉和 hp 共同為 gsm 研制了一整套 at 指令，其中就包括對 sms 的控制。at 指令在此基礎上演化并被加入 gsm 0705 標準以及現(xiàn)在的 gsm0707 標準，完全標準化和比較

28、健全的標準。如：對 sms 的 控制共有 3 種實現(xiàn)途徑：最初的 block mode；基于 at 指令的 text mode；基于 at 指令的 pdu mode。到現(xiàn)在 pdu mode 已經(jīng)取代 block mode，后者逐漸淡出。gsm 模塊與計算機之間的通信協(xié)議是一些 at 指令集，at 指令是以 at 作首， 字符結(jié)束 的字符串，at 指令的響應數(shù)據(jù)包在 中。每個指令執(zhí)行成功與否都有相應的返回。 其他的一些非預期的信息(如有人撥號進來、線路無信號等)，模塊將有對應的一些信 息提示，接收端可做相應的處理。 1.2 zigbee 技術技術 1.2.1 zigbee 技術簡介技術簡介 簡

29、言之，zigbee 就是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術。 “zigbee”一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳 zigzag 形舞蹈來告知同伴， 傳遞所發(fā)現(xiàn)新食物源的位置、距離和方向等信息?？梢哉f，是一種小的動物通過簡 潔的方式實現(xiàn)“無線”的溝通，人們借此來稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜 度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術。zigbee 早期也被稱作“homerf lite”、“rf- easylink”或“firefly”無線通信技術，目前統(tǒng)一稱為“zigbee”技術。 近年來在無線個域網(wǎng) wpan 技術領域，各種標準的技術在競相發(fā)展，而這些不 同技術的產(chǎn)品之間既有競爭又有

30、互補。zigbee 正是在這種無線技術蓬勃發(fā)展的環(huán)境 中應運而生的。不同于其他一些通信技術，它不去追求高速率、遠距離；而是針對 特定的在智能家居、智能建筑、工業(yè)自動化以及醫(yī)療領域的某些特定控制應用需求， 鎖定只有幾十 kbps 的速率、幾米幾十米的距離實現(xiàn)無線組網(wǎng)能力，在這樣的關鍵 指標條件下，在確定出其他技術要求微功耗、低復雜度，進而低價格，從此誕 生了一種新的無線通信技術zigbee。在其他無線通信技術不斷追求高速率、遠距 離的今天，zigbee 卻向低速率、近距離的方向邁進，其目的就是為了大幅度降低無 線終端的成本及功耗。因為只有這樣，才能達到起“無所不在”的目的。 形象化的描述 zig

31、bee：它是一種簡單的東西，其核心是多信道無線通信裝置和 微控制器，他們都被集成在一兩塊半導體芯片上，封裝在如同指甲蓋大小的塑料制 品里面。使用 zigbee 技術實現(xiàn)的產(chǎn)品，一般采用廉價的八位微處理器，將無線射頻 收發(fā)模塊集成在一塊芯片上，外圍接上一個阻容和晶振等器件，在連接一些 a/d、d/a、i/o 接口及控制電路（甚至這些電路也被集成到芯片中，如 ti 的 cc2430），即組成了諸如各種智能控制節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡的核心控制模塊。當 然，只有這些硬件是遠遠不夠的，還需要在其上加載合適的無線通信軟件（協(xié)議棧） 和控制程序，才能組成完整的控制模塊。為此，現(xiàn)在也把這類帶有 zigbee 協(xié)

32、議棧及 無線收發(fā)模塊的單片機成為“無線單片機”，就是這個道理。 1.2.2 zibee 技術的應用技術的應用 1.2.2.1 智能家居 隨著 zigbee 技術的出現(xiàn)，智能家居可能在未來的兩年內(nèi)加速走入人們的生活。 zigbee 模塊可以安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、門禁系統(tǒng)、空調(diào) 系統(tǒng)其他家電產(chǎn)品中，實現(xiàn)家居的照明、溫濕度、安全和電氣智能控制。例如：在 燈泡中安裝 zigbee 模塊，當人們要開燈時，不需要走到墻壁開關處，直接通過遙控 便可以實現(xiàn)；當你打開電視機時，燈光會自動減弱；當電話鈴響你拿起話機準備通 話時，電視機會自動靜音。通過 zigbee 終端設備還可以收集家居的各

33、種信息，傳送 到中央控制設備；或是通過遙控控制家里的電器、門窗，查看安保系統(tǒng)信息等。例 如，回家前預先開啟家里的空調(diào)；下雨時遙控關閉門窗；家里有非法入侵者時，及 時得到安保系統(tǒng)的通知；及時方便地采集水、電、燃氣的用量?？傊灰粋€ zigbee 遙控器，就可以控制所有的家電設備。 1.2.2.2 工業(yè)控制 通過 zigbee 網(wǎng)絡自動收集廠區(qū)各種設備信息，并將信息送達中央控制系統(tǒng)進行 數(shù)據(jù)處理與分析，以掌握工廠的整體信息。例如，人們可以通過 zigbee 網(wǎng)絡實現(xiàn)廠 房內(nèi)不同區(qū)域溫濕度的監(jiān)控、照明系統(tǒng)感測；及時得到機器運轉(zhuǎn)狀況信息進行生產(chǎn) 線流程控制等；結(jié)合 rfid 標簽，可以及時統(tǒng)計庫零

34、件配件存量等，這些都可以由 zigbee 網(wǎng)絡提供相關信息，達到工業(yè)控制和環(huán)境檢測的目的。當然，目前工廠內(nèi)已 有大量的有線控制系統(tǒng)，單“以 zigbee 為基礎的系統(tǒng)可以對控制系統(tǒng)和自動化的成 本削減 50%，單單取消管道、線纜和人工的使用這一項就能削弱高達 80%的成本”， 這些是不容忽視的。 1.2.2.3 交通運輸 沿著街道、高速公路和其他地方布置大量 zigbee 節(jié)點設備，人們就不會再擔心 迷路。安裝在汽車里的導航顯示器會告訴你當前所處的位置，正向何處去。全球定 位系統(tǒng)（gps）也能提供類似的服務，但是這種新的分布式系統(tǒng)能夠提供更精確、更 具體的信息。即使在 gps 覆蓋不能到的樓內(nèi)

35、或隧道內(nèi)，仍能繼續(xù)使用 zigbee 系統(tǒng)。 從 zigbee 無線網(wǎng)絡能夠得到比 gps 更多的信息，如限速，街道是單行線還是雙行線， 前面每條街的交通情況或事故信息等。使用這種系統(tǒng)，還可以跟蹤公共交通情況， 及時地趕上下一班車，而不至于在寒風中或在烈日下在車站登上十分鐘。 1.2.2.4 醫(yī)院應用 在醫(yī)院，zigbee 網(wǎng)絡可以幫助醫(yī)生及時，準確地收集急診病人的信息和檢查結(jié) 果，快速準確地做出診斷。攜帶 zigbee 終端的患者不論走到哪里，都可以被 24 小 時監(jiān)控體溫、脈搏等；而配有 zigbee 終端的擔架，可以直接遙控電梯門的開關。時 間是生命，zigbee 網(wǎng)絡可以幫助醫(yī)生和患者

36、爭取每一秒的生命。 1.2.3 zigbee 技術的特點技術的特點 1.低速率：zigbee 工作在 20250kbps 的較低速率，分別提供 250 kbps(2.4ghz)、 40kbp s(915 m hz) 和 20 kbps(868 m hz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的 應用需求。 2.低功耗：在低耗電待機模式下，2 節(jié) 5 號干電池可支持 1 個節(jié)點工作 624 個月，甚至更長。這是 zigbee 的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、wifi 可工 作數(shù)小時。 3.短時延：zigbee 的響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點 連接進入網(wǎng)絡只需 30

37、ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要 310s、wifi 需 要 3s。 4.低成本：通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的 1/10)，降低了對通信控制器的要求, 按預測分析，以 8051 的 8 位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要 32kb 代碼，子功 能節(jié)點少至 4kb 代碼，而且 zigbee 免協(xié)議專利費。 5.近距離：傳輸范圍一般介于 10100 m 之間，在增加 rf 發(fā)射功率后，亦可 增加到 13 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力， 傳輸距離將可以更遠。 6.大容量網(wǎng)絡：zigbee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理 若干子節(jié)點，最多一個

38、主節(jié)點可管理 254 個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡 節(jié)點管理，最多可組成 65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。 7.免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ism) 頻段，2. 4 ghz(全球) 、915 m hz(美國) 和 868 m hz(歐洲) 。 8.高安全：zigbee 提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單 (acl) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(aes-128) 的對稱密碼，以靈活確定 其安全屬性。 2.接口設計接口設計 2.1 接口設計整體方案接口設計整體方案 用戶有需求時，按已經(jīng)約定好的格式向接口模塊發(fā)送短信，接口模塊在收到用 戶的短信之后，將短

39、信的內(nèi)容進行解析，然后發(fā)送到 cc2430 模塊，cc2430 模塊在 收到接口模塊轉(zhuǎn)送的命令后，控制相應的傳感器完成相應的工作，然后將收集到的 信息反饋給接口模塊，通過接口模塊發(fā)送給用戶。至此，一次通信過程完成，接口 ?？爝M入等待用戶下一個命令的狀態(tài)。 如圖 2-1 所示，tc35i 模塊與 zigbee 協(xié)調(diào)器通過 rs-232 串口線相連，組成與 cc2430 模塊通信的接口模塊。接口模塊與 cc2430 模塊以及用戶間的通信都是通過 無線方式完成。當用戶發(fā)送消息時，tc35i 模塊先將消息進行接收后告知 zigbee 協(xié)調(diào) 器，協(xié)調(diào)器再通過 at 指令控制 tc35i 模塊將短消息讀出

40、，當短信內(nèi)容送到 zigbee 協(xié) 調(diào)器后，zigbee 協(xié)調(diào)器根據(jù)短信的內(nèi)容執(zhí)行相應的操作。具體為，根據(jù)短信內(nèi)容與 某個 cc2430 模塊進行通信，該 cc2430 模塊根據(jù)所接收的信息內(nèi)容執(zhí)行相應的操作 命令，控制開關的開啟和關閉、使用傳感器對周圍環(huán)境信息進行采集等。 圖 2-1 接口縮略圖 2.2 硬件設計硬件設計 包括 tc35i 模塊和 zigbee 協(xié)調(diào)器以及 cc2430 無線開發(fā)套件（開發(fā)板、核心板和 仿真器）以及鏈接所需的線材。核心板插于開發(fā)板之上，開發(fā)板為核心板提供外圍 功能電路，在本設計中只是用到了開發(fā)板的串口，仿真器是進行在線仿真的。 圖 2-2 所需實物圖 2.3

41、軟件設計軟件設計 tc35i 模塊部分的軟件設計以串口為基礎，通過編寫 c 語言程序?qū)ζ溥M行控制。 zigbee 協(xié)調(diào)器和 cc2430 模塊部分，通過使用無線龍公司提供的點對多無線通信協(xié)議 棧 2004，完成協(xié)調(diào)器對 cc2430 模塊的控制以及他們之間的通信。 這部分的核心設計集中在對 tc35i 模塊的短信分析與處理部分，通過串口中斷完 成。具體設計將在后續(xù)章節(jié)中闡述。 3.系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計 3.1 cc2430 模塊模塊 3.1.1 cc2430 芯片簡介芯片簡介 cc2430 模塊 接口模塊 tc35i 模塊 zigbee 協(xié)調(diào)器 rs-232 cc2430 模塊 cc243

42、0 模塊 cc2430 是 chipcon 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式 zigbee 應用的片上系統(tǒng)22。它 支持 2.4ghz ieee802.15.4/zigbee 協(xié)議。在單個芯片上整合了 zigbee 射頻(rf)前端、 內(nèi)存和微控制器。它使用 1 個 8 位 mcu（8051），最大可具有 128kbyte 可編程閃存 和 8kbyte 的 sram，還包含 14 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）、幾個定時器（timer）、 aes-128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（watchdog timer）、32 khz 晶振的休眠模式定 時器、上電復位電路（poweron reset）、掉電檢測電路

43、（brown out detection）， 以及 21 個可編程 i/o 引腳。cc2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特 性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。cc2430 的尺寸只有 77mm，采用 具有內(nèi)嵌閃存的 0.18m cmos 標準技術。這可實現(xiàn)數(shù)字基帶處理器，rf、模擬電路 及系統(tǒng)存儲器整合在同一個硅晶片上。工作時的電流損耗為 27 ma；在接收和發(fā)射 模式下，電流損耗分別低于 27 ma 或 25 ma。 3.1.2 cc2430 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) cc2430 最重要的是 mcu 和射頻部分，mcu 是其核心，該核心使用標準的 8051 命令集，每個機器周

44、期的一個時鐘周期等于標準 8051 機器周期的 12 個時鐘周期， 因此 cc2430 的執(zhí)行速度比標準的 8051 快。除了速度比一般的 8051 機快之外， cc2430 的 8051 核心還擴展了 18 個中斷源和雙數(shù)據(jù)指針。 cc2430 有兩個串行通信接口 usart0 和 usart1，兩個串口既可以工作于 uart(異步通信)模式，也可工作于 spi（同步通信）模式，模式的選擇由串口控制/ 狀態(tài)寄存器的 u0csr.mode 決定。 aes-128 加密和解密模塊：aes 算法基于排列和置換加密算法，是一個迭代的、 對稱密鑰分組的加密算法，用 128 為（16 字節(jié)）分組加密和解

45、密數(shù)據(jù)。cpu 通過 sfr（特殊功能寄存器）與 aes 處理器通信，使用 128 位密鑰，使用專用的 aes 處理 器處理加密和解密過程。該過程主要分為設置加密模式、加載密鑰、加在初始化向 量、為加密/解密下載或上傳數(shù)據(jù)。 rf 接收機：cc2430 接收機采用零中頻技術，接收到的 rf 信號被低噪聲放大， 直接下變頻為正交的中頻信號。在 2mhz 中頻處，正交信號被濾波和進一步放大， 通過 a/d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。自動增益控制、信道濾波、調(diào)制和字節(jié)同步都在數(shù)字部 分完成。cc2430 把接收到的數(shù)據(jù)緩存在一個 128b 的接收 fifo 當中。用戶通過一個 sfr 接口讀取 fifo。 r

46、f 發(fā)射機：cc2430 發(fā)射機基于直接上變頻。數(shù)據(jù)緩存在一個 128b 的傳輸 fifo 當中。幀的前導碼和幀間隔控制符由硬件產(chǎn)生，每個符合（一個符合 4bit）通過 ieee 802.15.4 標準所規(guī)定的擴頻序列被擴頻為 32 個碼片，并傳送到 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 為模擬信號。通過一個低通濾波器后，信號被送到上變頻混頻器混頻為 i/o 兩路信 號，然后信號被功放放大，最后通過天線發(fā)射。 io 端口： cc2430 有 21 個可編程的 io 端口，p0、pl 口是完全的 8 位口， p2 口只有 5 個可使用的位。每個端口可設置為通常的 io 口，也可設置為外圍 io 口使用；除了 p1

47、_0，p1_1 具有 20 ma 的驅(qū)動能力。其余 19 個 i/o 都具有 4 ma 輸出驅(qū)動能力。一般的 i/o 端口作為輸入口時，可用于產(chǎn)生中斷，中斷通過外部信 號的上升和下降沿來觸發(fā)。 通過軟件設定一組 sfr 寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的 io 口或 作為連接 adc、計時器或 usart 部件的外圍設備 io 口使用。如果需要外部設備， 可對 io 口引腳產(chǎn)生中斷，同時外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。 存儲器仲裁：cc2430 存儲器分為四個不同存儲空間，分別為： （1）代碼（code）：用于程序存儲,16 位只讀空間。 （2）數(shù)據(jù)（data）：直接或間接被單個

48、cpu 指令訪問，8 位可存取空間。 （3）外部數(shù)據(jù)（xdata）：4-5 個 cpu 指令周期訪問，16 位可存取空間。 （4）特殊功能寄存器（sfr）： 用于控制 8051cpu 核心和外部設備被單個的 cpu 指令訪問，7 位可存取空間。 sram：8kb 的 sram 映射到 data 存儲器空間和 xdata 存儲器空間的一部分。 flash：32/64/128kb flash 映射到 code 存儲器空間和 xdata 存儲器空間，flash 控制 器完成 flash 的寫操作。圖 3-1 為 cc2430 的結(jié)構(gòu)圖。 sfr bus sfr bus 32mhz 晶體 高速 rc_

49、osc 32.768mhz 晶體 32khz rc_osc 調(diào)試接口 多路時鐘校準 dma 8051 cpu 內(nèi)核 aes-128 安 全處理器 usart 0 usart 1 計數(shù)器 1(16 位) 計數(shù)器 2 (iee 802.15.4 mac 計 數(shù)器) 計數(shù)器 3(8 位) 計數(shù)器 4(8 位) 看門狗定時器復位 掉電復位 睡眠定時器 睡眠模式控制器 8kb sram 32/64/128kbf lash irq 控制 flash 控制 無線寄存器 解 調(diào) 器 調(diào) 制 器 自動 增益 控制 先進先出和幀控制 輸入輸出控制器 存儲器仲裁 vdd（2.0 3.6v） dcoupl 片上穩(wěn)壓器

50、 ram flash pdata xram iram nuified sfr xosc_q1 xosc_q2 reset_n p1_7 p1_6 p1_5 p1_4 p1_3 p1_2 p1_1 p1_0 p2_4 p2_3 p2_2 p2_1 p2_0 adc 音頻/直流 p0_7 p0_6 p0_5 p0_4 p0_3 p0_2 p0_1 p0_0 合 成 器 接 收 通 道 發(fā) 射 通 道 頻 率 合 成 器 csma/ca 存儲處理器 無線數(shù)據(jù)接口 rf_p rf_n 圖 3-1cc2430 結(jié)構(gòu)圖 3.1.3 cc2430 硬件應用電路硬件應用電路 cc2430 芯片需要很少的外圍部

51、件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。圖 3-2 為 cc2430 芯片的一種典型硬件應用電路。電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓 器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容 c341 和電感 l341、l321、l331 以及一個 pcb 微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足 rf 輸入/輸出匹配 電阻（50）的要求。內(nèi)部 t/r 交換電路完成 lna 和 pa 之問的交換。r221 和 r261 為偏置電阻，電阻 r221 主要用來為 32 mhz 的晶振提供一個合適的工作電流。用 1 個 32 mhz 的石英諧振器（xtal1）和 2 個電容（c191 和 c211）構(gòu)成一個 32 mhz 的

52、晶振電路。用 1 個 32.768 khz 的石英諧振器（xtal2）和 2 個電容（ca41 和 ca31） 構(gòu)成一個 32.768 khz 的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求 1.8 v 電壓的引腳和內(nèi)部電 源供電，c241 和 c421 電容是去耦合電容，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定 性。 圖 3-2cc2430 芯片的一種典型硬件應用電路 3.2 tc35i 模塊硬件應用電路模塊硬件應用電路 tc35i 模塊的正常運行需要相應的外圍電路與其配合。tc35i 共有 40 個引腳， 通過 zif 連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、 sim 卡電路、指示燈

53、電路等連接。tc35i 模塊外圍電路圖如下圖所示。 （1） 電源及啟動電路 電源電路分為充電電池和穩(wěn)壓電源模塊兩部分：充電電池主要為整個系統(tǒng)提供 3.6v 工作電電壓，同時產(chǎn)生芯片工作所需要的高電平。 （2） 數(shù)據(jù)通信電路 數(shù)據(jù)通信電路主要完成短消息收發(fā)、與 pc 機通信、軟件流控制等功能。tc35i 的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合 itu-t rs-232 接口電路標準，工作在 cmos 電 平（2.65v）。 （3） 語音通信電路 由于 tc35i 的 gsm 基帶處理器內(nèi)集成了音頻濾波、 adc、dac、語音合成等部 分，模塊語音接口的外圍電路連接相對簡單。 （4） sim 卡電路 基

54、帶處理器集成了一個與 iso ic card 標準兼容的 sim 接口。為了適合外部的 sim 接口，該接口連接到主接口（zif 連接器）。在 gsm11.11 為 sim 卡預留 5 個引 腳的基礎上， tc35i 在 zif 連接器上為 sim 卡接口預留了 6 個引腳，所添加的 ccin 引腳用來檢測 sim 卡支架中是否插有 sim 卡。當插入 sim 卡，該引腳置為高電平， 系統(tǒng)方可進入正常工作狀態(tài)。 3.3 串口通信串口通信 3.3.1 定義定義 串口是計算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議。大多數(shù)計算機包含兩個基于 rs232 的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協(xié)議；很多 g

55、pib 兼容的設備 也帶有 rs-232 口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設備的數(shù)據(jù)。 3.3.2原理原理 串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié) （byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接 收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。比如 ieee488 定義并行通行狀態(tài)時， 規(guī)定設備線總長不得超過 20 米，并且任意兩個設備間的長度不得超過 2 米；而對于 串口而言，長度可達 1200 米。典型地，串口用于 ascii 碼字符的傳輸。通信使用 3 根線完成：地線、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)

56、送 數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最 重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，以 下這些參數(shù)必須匹配： a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數(shù)。 例如 300 波特表示每秒鐘發(fā)送 300 個 bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特 率例如如果協(xié)議需要 4800 波特率，那么時鐘是 4800hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù) 線上的采樣率為 4800hz。通常電話線的波特率為 14400，28800 和 36600。波特率 可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很

57、近的 儀器間的通信，典型的例子就是 gpib 設備的通信。 b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，實 際的數(shù)據(jù)不會是 8 位的，標準的值是 5、7 和 8 位。如何設置取決于你想傳送的信息。 比如，標準的 ascii 碼是 0127（7 位）。擴展的 ascii 碼是 0255（8 位）。如果 數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標準 ascii 碼），那么每個數(shù)據(jù)包使用 7 位數(shù)據(jù)。每個包是 指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信 協(xié)議的選取，術語“包”指任何通信的情況。 c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為 1，1.5 和 2

58、位。由于數(shù) 據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設 備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機 校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大， 但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。 d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、 高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位 （數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如， 如果數(shù)據(jù)是 011，那么對于偶校驗，校驗位為 0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果 是奇校驗，校驗位位 1，這樣就有

59、 3 個邏輯高位。高位和低位并不真正的檢查數(shù)據(jù)， 簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機 會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。 3.3.3接口接口 串口分為針口和孔口兩種，俗稱為公口和母口，如下圖所示，共 9 個針腳/孔， 其中第 2 個為 rxd，第 3 個為 txd，第 5 個為 gnd，其他的針腳/孔起輔助作用，大 多數(shù)情況只會使用到 2、3、5 針腳/孔，即所說的“三線制”。 圖 3-4串口接口實物、示意圖 可以注意到公口母口的針腳順序是相反地，這就保證了當兩者對接的時候相同 序號的針腳是對接在一起的。通常情況下控制端設備都是針

60、型串口（公口），終端 設備都是孔型串口（母口）。而且最重要的一點是 2 腳/孔為 rxd 和 3 腳/孔為 txd 是站在控制設備的角度來看的，即控制設備通過 2 腳來接收數(shù)據(jù)，通過 3 腳來發(fā)送 數(shù)據(jù)，但是終端方為了能夠接收控制端的數(shù)據(jù)并向控制端發(fā)送請求，就必須將串口 的 2 腳/孔接到數(shù)據(jù)發(fā)送端，將 3 腳/孔接到數(shù)據(jù)接收端。所以說，控制端是直連的， 終端是交叉連的。 3.4.4作用作用 rs-232（ansi/eia-232 標準）是 ibm-pc 及其兼容機上的串行連接標準?？捎糜?許多用途，比如連接鼠標、打印機或者 modem，同時也可以接工業(yè)儀器儀表。用于 驅(qū)動和連線的改進，實際應