基于zigbeeCC2530的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設計

1、摘要隨著網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，人們呼吁快速便捷的網(wǎng)絡的呼聲也越來越來強烈，無線網(wǎng)絡必定是未來世界的網(wǎng)絡主要發(fā)展方向。而3G時代無線應用的日漸豐富，以及無線終端設備的層出不窮，對于無線網(wǎng)絡，尤其是基于802.11技術標準的Wi-Fi無線網(wǎng)絡，802.11n產(chǎn)品技術應用逐漸成為市場主流應用。ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術。它是一種介于無限標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用于近距離無線連接。自己在學校學習期間熟悉了通信原理，簡單的單片機知識，c語言編程等等。這些都能在這次的srtp里面得到體現(xiàn)。我們本次srtp重點研究了zigbee無線組網(wǎng)，結合TI z-stack無線傳感協(xié)議，

2、在cc2530芯片的基礎上實現(xiàn)溫濕度光敏等數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測，通過此次設計過程來驗證zigbee無線網(wǎng)絡的便捷性。關鍵詞 無線網(wǎng)絡 zigbee 數(shù)據(jù)監(jiān)測 第一章 緒論1 課題背景機車在做牽引試驗時，需對機車上的試驗數(shù)據(jù)進行采集與傳輸系統(tǒng)，目前還是通過有線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，由于線纜本身十分笨重，占用空間多，這就使得每次牽引試驗時，不但接線非常繁瑣，而且費時費力。又由于受到振動，連接電纜易損壞或者斷線，大大影響了數(shù)據(jù)采集的可靠性。針對目前牽引試驗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)存在的不足，擬采用無線傳感器網(wǎng)絡來實現(xiàn)牽引試驗數(shù)據(jù)的采集與傳輸。該系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點構成測量系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)取消了常規(guī)的測

3、量接線，采用無線傳輸采用由無線傳感器節(jié)點構成的無線傳感器網(wǎng)絡，來實現(xiàn)機車牽引試驗時，試驗數(shù)據(jù)的采集與傳輸。所以采用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。采用軟測量方法實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的檢測。測量數(shù)據(jù)，大大減少了試驗所需的連線。提高了試驗效率和試驗的靈活性。本文通過對ZigBee無線網(wǎng)絡的討論，重點研究了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設備。無線技術在傳感監(jiān)測領域有自己獨特的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的有線通信方式因為其成本高、布線復雜，已經(jīng)不能完全滿足人們的應用需求了。由此，無線通信技術應運而生。無線網(wǎng)絡技術按照傳輸范圍來劃分，可分為無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個人域網(wǎng)。無線個人域網(wǎng)即短距離無線網(wǎng)絡，典型的短

4、距離無線傳輸技術有：藍牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。在工業(yè)控制、家庭自動化和遙測遙感領域，藍牙（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)點少。WiFi雖然傳輸速度較快，傳輸距離達到100米，但是其價格偏高，功耗較大，組網(wǎng)能力較差。相比之下ZigBee技術則主要針對低成本、低功耗和低速率的無線通信市場，具有如下特點：功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。設備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時

5、延為15ms。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應用場合，ZigBee技術在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間（工作時間+休眠時間）之比小于1%的情況. 數(shù)據(jù)傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若

6、沒有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。 網(wǎng)絡容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作，分別為：個域網(wǎng)

7、協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。一個ZigBee的網(wǎng)絡最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控（Master）設備，其余則是從屬（Slave）設備。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個網(wǎng)絡最多可以支持超過64000個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，再加上各個Network Coordinator可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。 兼容性：ZigBee技術與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成。通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動建立網(wǎng)絡，采用載波偵聽/沖突檢測（CSMA-CA）方式進行信道接入。

8、為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。 安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數(shù)據(jù)。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。 實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協(xié)議免專利費用。目前低速低功率的UWB芯片組的價格

9、至少為20美元。而ZigBee的價格目標僅為幾美分。由于ZigBee技術具有上述特點，因而廣泛應用在短距離低速率電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 2 課題研究的目的意義 ZigBee技術具有低成本、低功耗、近距離、短時延、高容量、高安全及免執(zhí)照頻段等優(yōu)勢，廣泛應用于智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護、傳感器網(wǎng)絡應用和電信應用等領域。智能家庭：現(xiàn)今家用電器已經(jīng)隨處可見了，如何將這些電器和電子設備聯(lián)系起來，組成一個網(wǎng)絡，甚至可以通過網(wǎng)關連接到Internet，使得用戶可以方便地在任何地方監(jiān)控自己家里

10、的情況？ZigBee技術提供了家庭智能化的技術支持，在ZigBee技術的支持下，家用電器可以組成一個無線局域網(wǎng)，省卻了在家里布線的煩惱。工業(yè)控制：工廠環(huán)境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網(wǎng)絡進行監(jiān)控，加強作業(yè)管理，降低成本。自動抄表：現(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來逐家逐戶進行抄表，十分不方便。而ZigBee可以用于這個領域，利用傳感器把表的讀數(shù)轉化為數(shù)字信號，通過ZigBee網(wǎng)絡把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，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)能相結合，當發(fā)現(xiàn)能源使用過快的時候可以

11、自動降低使用速度。醫(yī)療監(jiān)護：醫(yī)療工作中，時常要獲得病人的生理指標、環(huán)境指標，可以通過放置傳感器構成傳感器網(wǎng)絡，實時監(jiān)測這些數(shù)據(jù)。由于是無線技術，傳感器之間不需要有線連接，被監(jiān)護的人也可以比較自由的行動，非常方便。傳感器網(wǎng)絡應用：傳感器網(wǎng)絡也是最近的一個研究熱點，像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測、環(huán)境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網(wǎng)絡要求節(jié)點低成本、低功耗，并且能夠自動組網(wǎng)、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢使得它成為傳感器網(wǎng)絡應用的一個很好的技術選擇。此外，ZigBee技術也可以應用到汽車電子、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事領域中。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的日漸興起，ZigBee技術將會扮演更為重要的

12、角色。但是，物聯(lián)網(wǎng)的全面普及將是一個十分漫長的過程，至少目前還在探索和實驗階段，距離實用還有很長的路要走。 雖然前景一片大好，但是我們應該清楚認識到由于各方面的制約，ZigBee技術的大規(guī)模商業(yè)應用還有待時日，基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡應用還遠遠說不上成熟，主要表現(xiàn)在：ZigBee市場仍處于起步探索階段，終端產(chǎn)品和應用大多處于研發(fā)階段，真正上市的少，且以家庭自動化為主；潛在應用多，但具有很大出貨量的典型應用少，市場缺乏明確方向；使用點對多點星狀拓撲的應用較多，體現(xiàn)ZigBee優(yōu)勢的網(wǎng)狀網(wǎng)絡應用少；基于IEEE 802.15.4底層協(xié)議的應用多，而基于ZigBee標準協(xié)議的應用少3 設計的準

13、備工作及預期實現(xiàn)的目的1 熟悉通信原理 zigbee是一種無線網(wǎng)絡技術，在組網(wǎng)過程中涉及到的廣播原理以及網(wǎng)絡標識等都需要我去補充通信原理方面的知識2 熟悉掌握IAR軟件的應用 zigbee硬件里面的程序大部分是在IAR環(huán)境下完成編譯調(diào)試的3 掌握基礎的射頻知識 cc2530的芯片就是右51單片機跟射頻前端組成的，信息的發(fā)送與接受是靠射頻前端完成的4 熟悉c語言網(wǎng)絡硬件編程，在設計傳感器網(wǎng)絡的時候需要在zigbee網(wǎng)絡的應用層做編程工作，用到的語言就是c語言。5 了解TI的z-stack協(xié)議 預期實現(xiàn)的效果：把調(diào)試完成的程序燒寫進zigbee硬件后可以成功組網(wǎng)，通過電腦可以觀察到網(wǎng)絡拓撲結構，在

14、電腦上可以監(jiān)測節(jié)點的溫濕度光敏數(shù)值。第二章 zigbee無線網(wǎng)絡概述 2.1 ZigBee概述ZigBee一詞來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡，它是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術。2000年，IEEE 802.15工作組成立的任務組TG4（Task Group，TG）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準以低能耗、低速率傳輸、低成本為重點目標，為設備之間的低速無線互連提供了統(tǒng)一標準，就是ZigBee無線通信技術。ZigBee協(xié)議是基于IEEE 8

15、02.15.4標準的，由IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)盟共同制定。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)絡層（NWK）、應用層（APL）和安全服務規(guī)范。協(xié)議棧結構如圖2-1。應用層（含應用接口層）用戶應用支持子層ZigBee聯(lián)盟網(wǎng)絡層MAC層IEEE 802.15.4物理層圖2-1 ZigBee協(xié)議棧結構ZigBee協(xié)議由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制子層(MAC)、網(wǎng)絡層(NWK)，應用層(APL)及安全服務提供層(SSP)五塊內(nèi)容組成。其中PHY層和

16、MAC層標準由IEEE 802.15.4標準定義，MAC層之上的NWK層，APL層及SSP層，由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標準定義。APL層由應用支持層(APS)，應用框架(AF)以及ZigBee設備對象(ZDO)及ZDO管理平臺組成1。PHY層定義了無線射頻應該具備的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三種不同的頻段，分別支持20kbps、40kbps和250kbps的傳輸速率，1個、10個以及16個不同的信道。ZigBee的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數(shù)有關，一般為10100米之間。PHY層提供兩種服務：PHY層數(shù)據(jù)服務

17、和PHY層管理服務，PHY層數(shù)據(jù)服務是通過無線信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)，PHY層的特性是激活和關閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。MAC層使用CSMA-CA沖突避免機制對無線信道訪問進行控制，負責物理相鄰設備問的可靠鏈接，支持關聯(lián)(Association)和退出關聯(lián)(Disassociation)以及MAC層安全。MAC層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務，MAC層數(shù)據(jù)服務通過物理層數(shù)據(jù)服務發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。MAC層的主要功能是：進行信標管理、信道接入、保證時隙(GTS)管理、幀確認應

18、答幀傳送、連接和斷開連接。NWK層提供網(wǎng)絡節(jié)點地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE 802.15.42003MAC子層和為應用層提供服務接口。NWK層從概念上包括兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。NWK層的責任主要包括加入和離開一個網(wǎng)絡用到的機制、應用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制，ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層還負責建立一個新的網(wǎng)絡。ZigBee應用層包括應用支持子層(APS子層)、應用框架(AF)和ZigBee設備對象(ZDO)。APS子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設備之間的服務和他們的需求使設備相互配對。ZigBe

19、e的應用框架(AF)為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對(KVP)服務和報文(MSG)服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設備允許最多240個用戶自定義應用對象，分別指定在端點l至端點240上。ZDO可以看成是指配到端點O上的一個特殊的應用對象，被所有ZigBee設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡角色管理，綁定管理，安全管理等。ZDO負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色(例如是ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設備)、發(fā)現(xiàn)設備和決定他們提供哪種應用服務，發(fā)現(xiàn)或響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立可靠的關聯(lián)。安全服務提供者SSP(Security Se

20、rvice Provider)向NWK層和APS層提供安全服務。ZigBee協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口，數(shù)據(jù)SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務，管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。2.2 ZigBee網(wǎng)絡基礎ZigBee網(wǎng)絡基礎主要包括設備類型，拓撲結構和路由方式三方面的內(nèi)容，ZigBee標準規(guī)定的網(wǎng)絡節(jié)點分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器(Router)和終端節(jié)點（E

21、nd Device）。節(jié)點類型是網(wǎng)絡層的概念，反映了網(wǎng)絡的拓撲形式。ZigBee網(wǎng)絡具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲2。2.2.1 網(wǎng)絡節(jié)點類型 (1) 協(xié)調(diào)器（Coordinator）在各種拓撲形式的ZigBee網(wǎng)絡中，有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，它負責選擇網(wǎng)絡所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡并將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡、提供信息路由、安全管理和其他服務。 (2) 路由器（Router）當采用樹型和網(wǎng)狀拓撲結構時，需要用到路由器節(jié)點，它也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡遠距離延伸的必要部件。它負責發(fā)送和接受節(jié)點自身信息；節(jié)點之間轉發(fā)信息；允許子節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡。 (3) 終端節(jié)點終端節(jié)點的主要任務就是發(fā)

22、送和接收信息，通常一個終端節(jié)點不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時可進入休眠狀態(tài)以降低能耗。2.2.2 網(wǎng)絡拓撲形式 (1) 星型拓撲星型拓撲是最簡單的拓撲形式，如圖2-2。圖中包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一些終端節(jié)點。每一個終端節(jié)點只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通訊，在兩個終端節(jié)點之間進行通訊必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行轉發(fā)，其缺點是節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一路徑。圖2-2 星形拓撲結構 (2)樹型拓撲樹型拓撲結構如圖2-3。協(xié)調(diào)器可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點，子節(jié)點的路由器節(jié)點也可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點。直接通信只可以在父節(jié)點和子節(jié)點之間進行，非父子關系的節(jié)點只能間接通信。圖2-3 樹狀拓撲結構 (3)網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)狀拓撲如圖2

23、-4。網(wǎng)狀拓撲具有靈活路由選擇方式，如果某個路由路徑出現(xiàn)問題，信息可自動沿其他路徑進行傳輸。任意兩個節(jié)點可相互傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡會自動按照ZigBee協(xié)議算法選擇最優(yōu)化路徑，以使網(wǎng)絡更穩(wěn)定，通訊更有效率。圖2-4 網(wǎng)狀拓撲結構2.2.3 工作模式ZigBee網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。在信標模式下，協(xié)調(diào)器負責以一定的間隔時間(一般在15ms-4mins之間)向網(wǎng)絡廣播信標幀，兩個信標幀

24、發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端節(jié)點的周期性(周期可設置)休眠。網(wǎng)絡中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。 第三章 CC2530芯片介紹3.1 CC2530概述CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應

25、用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530 芯片延用了以往CC2430 芯片的架構，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

26、用1 個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)字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 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(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O 引腳。 CC2530 芯片采用0.18 m 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。CC2530 的休眠模式和轉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

27、。3.2 CC2530模塊描述 CC2530 方框圖 圖中模塊大致可以分為三類：CPU 和內(nèi)存相關的模塊；外設、時鐘和電源管理相關的模塊，以及無線電相關的模塊。CPU 和內(nèi)存 CC253x芯片系列中使用的8051 CPU內(nèi)核是一個單周期的8051兼容內(nèi)核。它有三種不同的內(nèi)存訪問總線（SFR，DATA 和CODE/XDATA），單周期訪問SFR，DATA 和主SRAM。它還包括一個調(diào)試接口和一個18 輸入擴展中斷單元。 中斷控制器總共提供了18 個中斷源，分為六個中斷組，每個與四個中斷優(yōu)先級之一相關。當設備從活動模式回到空閑模式，任一中斷服務請求就被激發(fā)。一些中斷還可以從睡眠模式（供電模式1-3

28、）喚醒設備。 內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因為它通過SFR 總線把CPU 和DMA 控制器和物理存儲器以及所有外設連接起來。內(nèi)存仲裁器有四個內(nèi)存訪問點，每次訪問可以映射到三個物理存儲器之一：一個8-KB SRAM、閃存存儲器和XREG/SFR 寄存器。它負責執(zhí)行仲裁，并確定同時訪問同一個物理存儲器之間的順序。 8-KB SRAM映射到DATA存儲空間和部分XDATA存儲空間。8-KB SRAM是一個超低功耗的SRAM，即使數(shù)字部分掉電（供電模式2 和3）也能保留其內(nèi)容。這是對于低功耗應用來說很重要的一個功能。 32/64/128/256 KB閃存塊為設備提供了內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲器，映射

29、到XDATA 存儲空間。除了保存程序代碼和常量以外，非易失性存儲器允許應用程序保存必須保留的數(shù)據(jù)，這樣設備重啟之后可以使用這些數(shù)據(jù)。使用這個功能，例如可以利用已經(jīng)保存的網(wǎng)絡具體數(shù)據(jù)，就不需要經(jīng)過完全啟動、網(wǎng)絡尋找和加入過程。時鐘和電源管理 數(shù)字內(nèi)核和外設由一個1.8-V 低差穩(wěn)壓器供電。它提供了電源管理功能，可以實現(xiàn)使用不同供電模式的長電池壽命的低功耗運行。有五種不同的復位源來復位設備。外設 CC2530 包括許多不同的外設，允許應用程序設計者開發(fā)先進的應用。 調(diào)試接口執(zhí)行一個專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調(diào)試。通過這個調(diào)試接口，可以執(zhí)行整個閃存存儲器的擦除、控制使能哪個振蕩器、停止和開始執(zhí)行

30、用戶程序、執(zhí)行8051 內(nèi)核提供的指令、設置代碼斷點，以及內(nèi)核中全部指令的單步調(diào)試。使用這些技術，可以很好地執(zhí)行內(nèi)電路的調(diào)試和外部閃存的編程。 設備含有閃存存儲器以存儲程序代碼。閃存存儲器可通過用戶軟件和調(diào)試接口編程。閃存控制器處理寫入和擦除嵌入式閃存存儲器。閃存控制器允許頁面擦除和4 字節(jié)編程。 I/O控制器負責所有通用I/O引腳。CPU可以配置外設模塊是否控制某個引腳或它們是否受軟件控制，如果是的話，每個引腳配置為一個輸入還是輸出，是否連接襯墊里的一個上拉或下拉電阻。CPU 中斷可以分別在每個引腳上使能。每個連接到I/O 引腳的外設可以在兩個不同的I/O 引腳位置之間選擇，以確保在不同應用

31、程序中的靈活性。 系統(tǒng)可以使用一個多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存儲空間訪問存儲器，因此能夠訪問所有物理存儲器。每個通道（觸發(fā)器、優(yōu)先級、傳輸模式、尋址模式、源和目標指針和傳輸計數(shù)）用DMA 描述符在存儲器任何地方配置。許多硬件外設（AES 內(nèi)核、閃存控制器、USART、定時器、ADC 接口）通過使用DMA 控制器在SFR 或XREG 地址和閃存/SRAM 之間進行數(shù)據(jù)傳輸，獲得高效率操作。定時器1 是一個16 位定時器，具有定時器/PWM 功能。它有一個可編程的分頻器，一個16 位周期值，和五個各自可編程的計數(shù)器/捕獲通道，每個都有一個16 位比較值。每個計數(shù)器/捕獲通道可以用作

32、一個PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。它還可以配置在IR產(chǎn)生模式，計算定時器3 周期，輸出是ANDed，定時器3 的輸出是用最小的CPU 互動產(chǎn)生調(diào)制的消費型IR 信號。 MAC定時器（定時器2）是專門為支持IEEE 802.15.4 MAC或軟件中其他時槽的協(xié)議設計。定時器有一個可配置的定時器周期和一個8 位溢出計數(shù)器，可以用于保持跟蹤已經(jīng)經(jīng)過的周期數(shù)。一個16 位捕獲寄存器也用于記錄收到/發(fā)送一個幀開始界定符的精確時間，或傳輸結束的精確時間，還有一個16 位輸出比較寄存器可以在具體時間產(chǎn)生不同的選通命令（開始RX，開始TX，等等）到無線模塊。定時器3 和定時器4 是8 位定時器，具有定時

33、器/計數(shù)器/PWM 功能。它們有一個可編程的分頻器，一個8 位的周期值，一個可編程的計數(shù)器通道，具有一個8 位的比較值。每個計數(shù)器通道可以用作一個PWM 輸出。 睡眠定時器是一個超低功耗的定時器，計算32-kHz 晶振或32-kHz RC 振蕩器的周期。睡眠定時器在除了供電模式3 的所有工作模式下不斷運行。這一定時器的典型應用是作為實時計數(shù)器，或作為一個喚醒定時器跳出供電模式1 或2。 ADC支持7到12位的分辨率，分別在30 kHz或4 kHz的帶寬。DC和音頻轉換可以使用高達八個輸入通道（端口0）。輸入可以選擇作為單端或差分。參考電壓可以是內(nèi)部電壓、AVDD 或是一個單端或差分外部信號。A

34、DC 還有一個溫度傳感輸入通道。ADC 可以自動執(zhí)行定期抽樣或轉換通道序列的程序。 隨機數(shù)發(fā)生器使用一個16 位LFSR 來產(chǎn)生偽隨機數(shù)，這可以被CPU 讀取或由選通命令處理器直接使用。例如隨機數(shù)可以用作產(chǎn)生隨機密鑰，用于安全。 AES加密/解密內(nèi)核允許用戶使用帶有128位密鑰的AES算法加密和解密數(shù)據(jù)。這一內(nèi)核能夠支持IEEE 802.15.4 MAC 安全、ZigBee 網(wǎng)絡層和應用層要求的AES 操作。 一個內(nèi)置的看門狗允許CC2530 在固件掛起的情況下復位自身。當看門狗定時器由軟件使能，它必須定期清除；否則，當它超時就復位它就復位設備?；蛘咚梢耘渲糜米饕粋€通用32-kHz 定時器。

35、 USART 0和USART 1每個被配置為一個SPI主/從或一個UART。它們?yōu)镽X和TX提供了雙緩沖，以及硬件流控制，因此非常適合于高吞吐量的全雙工應用。每個都有自己的高精度波特率發(fā)生器，因此可以使普通定時器空閑出來用作其他用途。無線設備 CC2530 具有一個IEEE 802.15.4 兼容無線收發(fā)器。RF 內(nèi)核控制模擬無線模塊。另外，它提供了MCU 和無線設備之間的一個接口，這使得可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動操作和確定無線設備事件的順序。無線設備還包括一個數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。 3.3 CC2530引腳描述 CC2530的引腳圖引腳名稱 引腳 引腳類型 描述AVDD1 28 電源（

36、模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD2 27 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD3 24 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD4 29 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD5 21 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD6 31 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接DCOUPL 40 電源（數(shù)字） 1.8V 數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應。DVDD1 39 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接DVDD2 10 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接GND - 接地 接地襯墊必須連接到一個堅固的接地

37、面。GND 1，2，3，4 未使用的引腳 連接到GNDP0_0 19 數(shù)字I/O 端口0.0P0_1 18 數(shù)字I/O 端口0.1P0_2 17 數(shù)字I/O 端口0.2P0_3 16 數(shù)字I/O 端口0.3P0_4 15 數(shù)字I/O 端口0.4P0_5 14 數(shù)字I/O 端口0.5P0_6 13 數(shù)字I/O 端口0.6P0_7 12 數(shù)字I/O 端口0.7P1_0 11 數(shù)字I/O 端口1.0-20-mA 驅動能力P1_1 9 數(shù)字I/O 端口1.1-20-mA 驅動能力P1_2 8 數(shù)字I/O 端口1.2P1_3 7 數(shù)字I/O 端口1.3P1_4 6 數(shù)字I/O 端口1.4P1_5 5 數(shù)

38、字I/O 端口1.5P1_6 38 數(shù)字I/O 端口1.6P1_7 37 數(shù)字I/O 端口1.7P2_0 36 數(shù)字I/O 端口2.0P2_1 35 數(shù)字I/O 端口2.1P2_2 34 數(shù)字I/O 端口2.2P2_3 33 數(shù)字I/O 模擬端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 數(shù)字I/O 模擬端口2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30 模擬I/O 參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N 20 數(shù)字輸入 復位，活動到低電平RF_N 26 RF I/O RX 期間負RF 輸入信號到LNA RF_P 25 RF I/O RX 期間正RF 輸入信號到LNAXOS

39、C_Q1 22 模擬I/O 32-MHz 晶振引腳1或外部時鐘輸入XOSC_Q2 23 模擬I/O 32-MHz 晶振引腳2第四章 系統(tǒng)的整體設計4.1 系統(tǒng)的結構簡介本系統(tǒng)由三類節(jié)點組成：ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、傳感器節(jié)點。圖3-1所示是其組成示意圖，其中ZigBee協(xié)調(diào)器是分布式處理中心，即匯聚節(jié)點。多個傳感器節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器節(jié)點會先把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點把數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。協(xié)調(diào)器節(jié)點可以與多個傳感器節(jié)點通信，這樣可以使本系統(tǒng)同時監(jiān)測多個區(qū)域，何時檢測哪個區(qū)域通常由用戶通過協(xié)調(diào)器節(jié)點來控制。當被檢測區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)

40、調(diào)器節(jié)點距離傳感器節(jié)點較遠時，可以通過增加路由器節(jié)點來增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。當用戶沒有數(shù)據(jù)請求時，傳感器節(jié)點只進行低功耗的信道掃描。系統(tǒng)工作流程示意圖如下電腦（上位機）網(wǎng) 關路由節(jié)點溫濕度光敏傳感器溫濕度光敏傳感器溫濕度光敏傳感器圖4-1 采集監(jiān)測系統(tǒng)示意圖4.2 對每個部分的功能和指標進行詳細介紹(1)信息收集終端：即協(xié)調(diào)器，就是設計的zigbee網(wǎng)絡的網(wǎng)關， 完成網(wǎng)絡的建立與維護，和節(jié)點之間綁定的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總，然后以有線的方式傳送到上位機軟件，進行進一步數(shù)據(jù)處理。本設計采用RS-232串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。在本設計中可以通過串口助手老查看溫濕度光敏等傳感器數(shù)據(jù)。(2)溫濕度光

41、敏傳感器節(jié)點：即節(jié)點，放置在需要采集數(shù)據(jù)的地方。溫濕度光敏采集終端可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的加入、與協(xié)調(diào)器綁定的建立對溫濕度光敏的檢測。檢測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送到協(xié)調(diào)器。 (3)上位機：本系統(tǒng)的設計的上位機選擇了PC機，由于srtp確定以來反復對方案進行了探討研究用PC機作為上位機軟件最穩(wěn)定，查閱了大量資料可以用通過不同的技術手段選擇不同的上位機，帶ARM設備開發(fā)板，移動終端等等都可以作為上位機。4.3 系統(tǒng)的程序設計（1） 設備的描述程序中，兩種設備被配置：傳感器和中心收集設備3。中心收集設備作為協(xié)調(diào)器或路由器啟動，描述為：const SimpleDescriptionFormat_t

42、zb_SimpleDesc =MY_ENDPOINT_ID, / 端點 MY_PROFILE_ID, / Profile ID DEV_ID_COLLECTOR, / 設備 ID DEVICE_VERSION_COLLECTOR, / 設備版本 0, / 保留 NUM_IN_CMD_COLLECTOR, / 輸入命令數(shù)量 (cId_t *) zb_InCmdList, / 輸入命令列表 NUM_OUT_CMD_COLLECTOR, / 輸出命令數(shù)量 (cId_t *) NULL / 輸出命令列表;傳感器設備的描述為：const SimpleDescriptionFormat_t zb_Simp

43、leDesc =MY_ENDPOINT_ID, / 端點MY_PROFILE_ID, / Profile IDDEV_ID_COLLECTOR, / 設備 IDDEVICE_VERSION_COLLECTOR, / 設備版本 0, / 保留 NUM_IN_CMD_COLLECTOR, / 輸入命令數(shù)量 (cId_t *) zb_InCmdList, / 輸入命令列表NUM_OUT_CMD_SENSOR, / 輸出命令數(shù)量(cId_t *) zb_OutCmdList / 輸出命令列表;(2) sht11溫濕度傳感器部分工作程序 #define data p1-1#define sck p1-0

44、#define ack 1#define noack 0#define measure_temp 0x03 /測量溫度命令#define measure_humi 0x05 /測量濕度命令/ 讀溫濕度命令 char s-measure(unsigned char *p-value, unsigned char *p-checksum, unsigned char mode ) unsigned char error=0; unsigned int i;C s_transstart();/傳輸開始 switch(mode) case temp:error+=s_write_byte(measur

45、e_temp);break; case humi:error+=s_write_byte(measure_humi);break default:break; for(i=0;i<65535;i+) if(data=0) break; if(data) reeor+=1; *(p_value)=s_read_byte(ack);*(p_value+1)=s_read_byte(ack); *p_checksum=s_read_byte(noack);return error;/ 溫濕度值變換及溫度補償void calc_sth15(float *p_humidity,float *p_t

46、emperature) const float c1=-4.0; const float c2=0.0405; const float c3=-0.0000028; const float t1=-0.01; const float t2=0.00008; float rh=*p_humidity; float t=*p_temperature; float rh_lin; float th_ture; float t_c; t_c=t*0.01-40; rh_lin=c3*rh*rh+c2*rh+c1; trh_ture=(t_c-25)*(t1+t2*rh)+rh_lin; *p_temp

47、erature=t-c; *p_humidity=rh_ture;/從相對溫度和濕度計算露點char calc_dewpoint(float h,float t)float logex,dew_point; logex=0.66077+7.5*t/(237.3+t)+log 10(h)-2; dew_point=(logex-0.6607)*237.3/(0.66077+7.5-logex); return dew_point;/動態(tài)顯示接口程序DIR: MOV R0,#79H MOV R3,#01H MOV A,R3LD0: MOV DPTR,#0101H MOVX DPTR,A INC D

48、PTR MOV A,R0 ADD A,#12H MOVX A,A+PC MOVX DPTR,A ACLL DL1 INC R0 MOV A,R3 JB ACC.5,LD1 RL A MOV R3,A AJMP LD0LD1: RETDSEG: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DHDSEG1: DB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CHDSEG2: DB 39H, 5EH, 79H, 71H, 73H, 3EHDSEG3: DB 31H, 61H, 1CH, 23H, 40H, 03HDSEG4: DB 18H, 00H, 00H, 00HDL1:

49、MOV R7, #02HDWDL: MOV R6, #0FFHDL6: DJNZ R6, DL6 DJNZ R7, DL RET光敏采集實現(xiàn)程序#include "ioCC2530.h" #include "string.h"typedef signed short int16;typedef unsigned short uint16;typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;char TxData2; /存儲發(fā)送字符串uint16 LightLevel;uint16 myApp_Rea

50、dLightLevel( void );/* 名 稱: InitUart()* 功 能: 串口初始化函數(shù)* 入口參數(shù): 無* 出口參數(shù): 無*/void InitUart(void) PERCFG = 0x00; /外設控制寄存器 USART 0的IO位置:0為P0口位置1 P0SEL = 0x0c; /P0_2,P0_3用作串口（外設功能） P2DIR &= 0XC0; /P0優(yōu)先作為UART0 U0CSR |= 0x80; /設置為UART方式 U0GCR |= 11; U0BAUD |= 216; /波特率設為115200 UTX0IF = 0; /UART0 TX中斷標志初始置

51、位0/* 名 稱: UartSendString()* 功 能: 串口發(fā)送函數(shù)* 入口參數(shù): Data:發(fā)送緩沖區(qū) len:發(fā)送長度* 出口參數(shù): 無*/void UartSendString(char *Data, int len) uint i; for(i=0; i<len; i+) U0DBUF = *Data+; while(UTX0IF = 0); UTX0IF = 0; /* 名 稱: DelayMS()* 功 能: 以毫秒為單位延時 16M時約為535,32M時要調(diào)整,系統(tǒng)時鐘不修改默認為16M* 入口參數(shù): msec 延時參數(shù)，值越大延時越久* 出口參數(shù): 無*/void DelayMS(uint msec) uint i,j; for (i=0; i<msec; i+) for (j=0; j<1070; j+);/* fn main* brief* Main function of application example.* Parameters:* param void* return v