河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要PAGE49摘要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的誕生解決了對布線困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集的問題，同時也簡化了有線網(wǎng)絡(luò)所帶來的規(guī)劃布線、預(yù)設(shè)接口、線路檢測、線路擴容等一系列和傳輸途徑有關(guān)的繁瑣工作。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場幾乎被國外廠商占領(lǐng)，這嚴重阻礙了我國無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。課題的目的是設(shè)計出一套能夠?qū)崿F(xiàn)基本應(yīng)用的無線實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以檢驗本科學(xué)習(xí)成果。該系統(tǒng)的特點是設(shè)計簡單、實時性強、系統(tǒng)穩(wěn)定。其功能包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點對模擬信號的采集、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)的無線傳輸、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)報警等。監(jiān)控人員可以根據(jù)上位機上監(jiān)控系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)報表、報警狀態(tài)對被測對象進行相應(yīng)的、及時有效的處理。課題以ZigBee芯片CC2430作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心，調(diào)整整個無線網(wǎng)絡(luò)的的正常運行；上位機和無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互:通過組態(tài)軟件實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與實時數(shù)據(jù)庫的連接并產(chǎn)生友好的人機界面，方便管理人員管理數(shù)據(jù)、及時了解數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的情況。本文所做的主要工作:l、在研究IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了ZigBee無線星型通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了ZigBee星型網(wǎng)的基本應(yīng)用。2、完成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計，包括節(jié)點硬件原理圖設(shè)計、節(jié)點硬件電路制作以及硬件電路的調(diào)試。3、完成了各節(jié)點通信的軟件設(shè)計，主要包括終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序的編寫和各節(jié)點相互通信的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了終端節(jié)點對環(huán)境溫度的采集以及點到點之間的通信。關(guān)鍵詞:無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，ZigBee，CC2430，LCD1602河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)ABSTRACTABSTRACTWirelesssensornetworkisborntoaddressthedifficultwiringarea,staffcannotreachtheregionaldatacollectionissues,butalsosimplifiesthewiringcablenetworkplanning,designinterface,linedetection,lineexpansionandaseriesofandtransmissionpathwaysrelatedtothetediouswork.Thewirelesssensornetworkmarketwasalmostforeignmanufacturersareoccupied,whichseriouslyhamperedChina'swirelessdataacquisitionsystemdevelopment.Thepurposeofthisstudyistodesignasettoachievethebasicapplicationofthewirelessdataacquisitionsystem,inordertotesttheundergraduatelearningoutcomes.Thesystemischaracterizedbysimpledesign,strongreal-time,systemstability.Itsfunctionsincludedataacquisitionnodetotheanalogsignalacquisition,ZigBeewirelessnetworkforthewirelesstransmissionofdata,real-timedatadisplay,alarmandotherdata.Monitoringbasedoncomputermonitoringsystemofthedisplayeddatastatements,alarmstateofthetestedobjectwasappropriate,timelyandeffectivetreatment.TopicinZigBeeCC2430chipasthecoreofwirelessnetwork,adjusttheentirewirelessnetworknormaloperation;PCandwirelessnetworkdatainteraction:throughtheconfigurationsoftwaretorealizethewirelesssensornetworkandrealtimedatabaseconnectionandfriendlyinterface,convenientdatamanagementpersonnelmanagement,timelyunderstandingofdataacquisitionfieldsituation.Themainworkofthispaper:1,OnIEEE802.15.4/ZigBeeprotocolbasedonZigBeewireless,constructingstarcommunicationnetwork,realizetheZigBeestarnetworkbasicapplications.2,CompletedtheZigBeenetworknodehardwaredesign,includingthenodehardwareschematicdesign,nodehardwarecircuitproductionandhardwarecircuitdebugging.3,Completedthenodecommunicationsoftwaredesign,includingtheterminalnodedataacquisitionprogramandeachnodecommunicationsoftwaredesign,realizationoftheterminalnodesoftheambienttemperatureacquisitionandpoint-to-pointcommunicationbetween.Keywords:wirelessdataacquisitionsystem,ZigBee,CC2430,LCD1602河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)目錄目錄TOC\o"1-3"\h\u17423摘要 I15978ABSTRACT II231671緒論 1299501.1課題背景 1268121.2課題意義 2218961.3短距離無線技術(shù)介紹與對比 2168971.3.1IEEE802.11標準 28101.3.2藍牙技術(shù) 336771.3.3IrDA通信技術(shù) 365051.3.4HomeRF 3266961.3.5ZigBee技術(shù) 425181.4課題內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu) 482212總體方案設(shè)計 6154002.1總體方案 672562.2關(guān)鍵技術(shù)的介紹 6112652.2.1ZigBee技術(shù)簡介 6176042.2.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 7230272.2.3ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 961322.3ZigBee芯片的選取 15208552.3.1CC2420介紹及其方案設(shè)計 15178622.3.2CC2430簡介 16215082.3.3芯片比較選擇 18160632.4液晶顯示的選擇 18310702.4.1LCD1602 19264952.4.2LCD12864 20224822.4.3液晶的比較選擇 22226892.5本章小結(jié) 2269233系統(tǒng)硬件設(shè)計 2258213.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 23262493.2ZigBee模塊電路 23193083.3各模塊電路 2423303.3.1液晶顯示電路 2439673.3.2電源電路 25288563.3.3串口轉(zhuǎn)換電路 2560803.3.4天線電路 2627493.4本章小結(jié) 26248284系統(tǒng)軟件設(shè)計 27231144.1IAR開發(fā)環(huán)境 2774684.2Z—Slack協(xié)議棧介紹 2880204.3顯示程序設(shè)計 30294154.4本章總結(jié) 30314165系統(tǒng)測試實驗 31270295.1系統(tǒng)實驗過程與結(jié)果 3182545.1.1實驗內(nèi)容 31286585.1.2系統(tǒng)實驗過程 31280295.1.2系統(tǒng)實驗結(jié)果 3161085.2本章小結(jié) 32135516總結(jié)和展望 33147376.1總結(jié) 33181216.2展望 33443參考文獻 3419779致謝 3618688附錄A軟件設(shè)計源程序 37121A.1主程序 3718672A.2液晶驅(qū)動程序 395650A.3數(shù)據(jù)接收子程序 438583附錄B 4713127附錄C 48河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)1緒論1緒論1.1課題背景當今世界信息技術(shù)飛速發(fā)展，給人們的工作和生活帶來了巨大影響。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用環(huán)節(jié)的第一步是信息的獲取，它直接關(guān)系到信息的傳輸、處理和應(yīng)用。傳感器技術(shù)是信息獲取的最重要、最基本的技術(shù)。隨著獲取信息要求的提高，傳感器獲取技術(shù)從單一化到集成化、微型化，進而智能化、網(wǎng)絡(luò)化，形成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。并且隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應(yīng)運而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨立出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是無線傳感器節(jié)點，這些節(jié)點集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源管理四個主要模塊。傳感器、微機電系統(tǒng)(MEMS)、集成電路、以及低功耗無線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗、多功能的微型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能，這些微型無線傳感器是集成的光機電一體化系統(tǒng)，具有無線通信、數(shù)據(jù)收集和處理、協(xié)同工作等功能。它們共同組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了一種全新的信息獲取和處理模式。微型傳感器節(jié)點可以隨機或者特定地布置在工作環(huán)境中，通過無線通信實現(xiàn)自組織，獲取周圍環(huán)境的信息，形成分布自治系統(tǒng)，相互協(xié)同完成特定的任務(wù)。美國商業(yè)周刊和MTI技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的21項技術(shù)[1]和改變世界的10大技術(shù)之一[2]。在工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)己成為近年來業(yè)界的研究熱點之一，基于Buetooth(IEEE802.15.1),WiFi(IEEE802.11)和ZigBee(IEEE802.15.4)等協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相繼問世。其中ZigBee短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿?。ZigBee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標準.它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon,Freescale,CompXs,Ember四家公司在2005年4月通過了ZigBee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所作的測試和兼容性驗證。預(yù)計以后無線發(fā)展，基于ZigBee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會迅速得到普及和高速發(fā)展。將設(shè)備數(shù)據(jù)采集之后再通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行傳輸是ZigBee技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的一種應(yīng)用，這種新興的技術(shù)必將給工廠現(xiàn)代化注入新的活力。本論文將傳感器技術(shù)和新興的無線通信技術(shù)相結(jié)合，力圖通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線化來達到工業(yè)現(xiàn)場中布線不利時對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和顯示。1.2課題意義傳統(tǒng)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸一般以工業(yè)控制總線作為介質(zhì)，以致大都局限于本地的近距離范圍之內(nèi)應(yīng)用。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，企業(yè)及機構(gòu)的管理規(guī)模不斷擴大，其需要管理與控制的對象更趨多樣性，甚至具有流動性，分布的范圍也涉及到不同的地域。為了對這些分散的對象進行有效的集中管理，對遠程及移動數(shù)據(jù)采集與控制的需求也就日益迫切。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)相對成熟，將它重新構(gòu)建于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺之上，將成熟技術(shù)的穩(wěn)定性和新技術(shù)的便捷性充分結(jié)合起來，這種結(jié)合對于工業(yè)現(xiàn)場十分必要。減少了在某些場所有線網(wǎng)絡(luò)布線以及工人人工采集數(shù)據(jù)的不便，同時可以方便的于各種傳感器搭配用于不同的場合。礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測系統(tǒng)，就是利用礦壓儀表實測采場及巷道的圍巖應(yīng)力分布特征、圍巖變形、位移、頂?shù)装迤茐奶卣?、支架受載及壓縮等一系列礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象，并采用合理的數(shù)學(xué)方法對各種礦山壓力顯現(xiàn)監(jiān)測信息進行分析，總結(jié)采場及巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，預(yù)報礦壓顯現(xiàn)的發(fā)展趨勢。本文對礦山單體液壓支柱無線壓力測量系統(tǒng)就地顯示進行研究設(shè)計，將短距離通信新秀ZigBee應(yīng)用于礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測系統(tǒng)，提出一種定性、定量的評估方式：采用ZigBee將終端傳感器收集的各種參數(shù)傳至坑道的網(wǎng)關(guān)，再采用有線方式將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳至地面上的顯示儀器顯示，再傳到計算機中，由計算機對數(shù)據(jù)進行分析，對礦壓及安全作出評估，有利于避免煤礦事故的發(fā)生。這套無線壓力監(jiān)測系統(tǒng)，具有很高的經(jīng)濟價值。1.3短距離無線技術(shù)介紹與對比短距離無線通信技術(shù)已在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛的應(yīng)用，目前主要有IEEE802.11、藍牙、IrDA、Home-RF、ZigBee等。1.3.1IEEE802.11標準IEEE802.11是IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)制定的一個無線局域網(wǎng)標準，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端之間的無線接入。IEEE802.11業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取。IEEE802.11系列標準經(jīng)過一斷時間的發(fā)展，已經(jīng)有了多個版本的標準，他們在技術(shù)和性能各有不同。802.l1a標準采用與原始標準相同的核心協(xié)議，最大的數(shù)據(jù)傳輸率為54Mb/s。但是802.l1a幾乎被限制在直線范圍內(nèi)，這導(dǎo)致必須使用更多的接入點；同時傳輸距離沒有802.11b遠，因為其容易被吸收。802.llb標準載波的頻率為2.4GHZ，傳輸速度為11Mbit/s。在2.4GHzISM頻段共有14個頻寬為22M頻道可供使用。IEEE802.11b的后繼標準是IEEE802.11g，其傳送速度為54Mbit/s。IEEE802.11的主要特點是傳輸速率高，可靠性高，建網(wǎng)快速、便捷，可移動性好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化，組網(wǎng)靈活，組網(wǎng)價格低等。1.3.2藍牙技術(shù)藍牙(Bluetooth)是愛立信公司在1994年提出的一種短距離無線通信技術(shù)規(guī)范，采用跳頻擴頻技術(shù)，使用開放的2.4GHZ頻段。藍牙的數(shù)據(jù)傳輸速率約為1Mbit/s，采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸，其理想的連接范圍為10厘米-10米，通過增大發(fā)送功率可以將距離延長至100米。藍牙作為一種新興技術(shù)，主要具有以下特點：●工作在2.4GHZ的ISM頻段，工作頻率無須申請許可?！袷褂?Mb/s速率以達到最大限制帶寬?！袷褂每焖僬{(diào)頻(1600跳/s)技術(shù)抗干擾?！癫捎们跋蚣m錯方式，減少傳輸時的干擾?！駨奈锢韺?、鏈路層和業(yè)務(wù)層三方面提供安全措施，保密性好?！癫捎肅VSD語音編碼，可在高誤碼率下使用?！癜l(fā)射功率自適應(yīng)，低干擾?！駥捤涉溌放渲弥С值蛢r單芯片集成。然而，藍牙的傳輸距離一般比較短，一個網(wǎng)絡(luò)中最多可容納的藍牙節(jié)點數(shù)為8個，因而很難滿足用戶的要求，再者，藍牙技術(shù)開發(fā)成本較高。1.3.3IrDA通信技術(shù)紅外線通信技術(shù)(IrDA，InfraredDataAssociation)是由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會提出并推行的一種無線通信協(xié)議，是目前使用較廣泛的短距離無線通信技術(shù)之一。通常其有效作用半徑2米，傳統(tǒng)速度可達4Mbps，同時在點對點通信時要求接口對準角度不超過30度。而新制定的超高紅外標準傳輸速率達到16Mbps，相比傳統(tǒng)版本的4Mbps快了4倍，接收角度也由原來的30度擴展到120度。紅外技術(shù)具有如下的特點:紅外技術(shù)采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收均具有方向性，其具有體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強、成本低等。然而，通信距離短、通信過程中不能移動、遇障礙物通信中斷等缺點使lrDA的應(yīng)用受到了極大的限制。在本課題中，數(shù)據(jù)采集終端不固定，可以按需移動，因此采集數(shù)據(jù)有可能會因為遇障而中斷通信，從而使數(shù)據(jù)丟失，故IrDA技術(shù)并不適合本系統(tǒng)。1.3.4HomeRFHomeRF主要為家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，是IEE802.11與DECT的結(jié)合，使用開放的2.4GHz頻段，用于降低語音數(shù)據(jù)成本。采用跳頻擴頻(FHSS)技術(shù)，跳頻速率為50跳/s，共有75個帶寬為1MHz的跳頻頻道。調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK調(diào)制，分為2FSK與4FSK兩種。2FSK方式下，最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為1Mps；4FSK方式下，速率可達2Mbps。在新的HomeRF2.x標準中，采用了WBFH(寬帶調(diào)頻)技術(shù)來增加跳頻帶寬，由原來的1MHz跳頻信道增加到3MHz、5MHz，跳頻的速率也增加到75跳/秒，數(shù)據(jù)峰值達到10MbPs。但是HomeRF網(wǎng)絡(luò)沒有密碼，因而它的安全性比較差，同時它的抗干擾性比較差。1.3.5ZigBee技術(shù)ZigBee就是一種廉價的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信方式。在2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司成立了ZigBee聯(lián)盟，于2004年12月，正式公布了無線通信技術(shù)ZigBeel.0標準。ZigBee協(xié)議是由正IEEE802.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層所組成的，其突出的特點是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持低成本、低功耗、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、各層次的安全性等。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。工作在2.4GHzISM頻段上，傳輸速率為20kb/s-250kb/s，傳輸距離為10m-75m。主要用于近距離無線傳輸，應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、家庭網(wǎng)絡(luò)、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫(yī)用設(shè)備控制等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:將借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，準確而且實時地監(jiān)測病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負擔，有助于醫(yī)生作出快速的反應(yīng)，特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護和治療。在消費家用自動化市場:可以聯(lián)網(wǎng)的家用設(shè)備有電視、錄像機、無線耳機、PC外設(shè)(鍵盤和鼠標等)、運動與休閑器械、兒童玩具、游戲機、窗戶和窗簾、照明設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)和其它家用電器等。在家庭和樓宇自動化領(lǐng)域:家庭自動化系統(tǒng)作為電子技術(shù)的集成被得到迅速擴展。未來的家庭將會有50-100個支持ZigBee的芯片被安裝在電燈開關(guān)、煙火檢測器、抄表系統(tǒng)、無線報警、安保系統(tǒng)、HVAC、廚房器械中，為實現(xiàn)遠程控制服務(wù)。在汽車上:主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪或者發(fā)動機中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內(nèi)置的無線通信設(shè)備使用的電池有較長的壽命(大于或等于輪胎本身的壽命)，同時應(yīng)該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。1.4課題內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集的技術(shù)載體，有重要的意義，它能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點，還具有一些特有的優(yōu)點：低功耗、高擴充性、自組織功能、自愈功能。本課題是多學(xué)科學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用，涉及的相關(guān)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機接口技術(shù)、ZigBee技術(shù)等。本論文基于礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測系統(tǒng)，分為數(shù)據(jù)采集部分、就地顯示部分、上位機部分，論文著重于介紹基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集部分，采用ZigBee將終端傳感器收集的各種參數(shù)傳至坑道的網(wǎng)關(guān)，再采用有線方式將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳至地面上的中央控制計算機，由計算機對數(shù)據(jù)進行分析。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：1.緒論：介紹選題的背景和意義，以及短距離無線通信技術(shù)的比較，闡述了論文的研究重點，最后給出論文的結(jié)構(gòu)安排。2.總體方案設(shè)計：確定系統(tǒng)的設(shè)計原則，給出系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，根據(jù)芯片比較，選定方案所用元件及講述所用到的關(guān)鍵技術(shù)。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計：針對所選的方案，完成硬件電路的連接，并對部分電路的原理及在系統(tǒng)中所完成的功能做詳細的介紹。4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計：介紹軟件開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于模塊化的設(shè)計思路，本論文中按照所完成不同的功能設(shè)計不同模塊，給出系統(tǒng)的各部分模塊的程序流程圖及其具體實現(xiàn)。5.系統(tǒng)實驗過程和結(jié)果：根據(jù)軟、硬件制作實物，進行模擬實驗，進行調(diào)試分析。6.系統(tǒng)的總結(jié)與展望：根據(jù)軟硬件調(diào)試的結(jié)果，以及系統(tǒng)整體調(diào)試情況，完成系統(tǒng)的設(shè)計?？偨Y(jié)本文的研究內(nèi)容，針對系統(tǒng)在其他更高要求領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出一些改進完善措施。河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)2總體方案設(shè)計2總體方案設(shè)計2.1總體方案由圖2.1可知傳感器與無線芯片的連接為數(shù)據(jù)采集部分，無線芯片與液晶的連接為就地顯示部分。兩者之間通過無線傳輸?shù)男酒牡陌l(fā)送和接收，緊密聯(lián)系，上位機主要功能就是，數(shù)據(jù)的存儲和接收，數(shù)據(jù)的進一步處理和顯示。ZigBeeZigBee芯片傳感器報警電路顯示電路上位機ZigBee芯片無線通信 圖2.1基于ZigBee技術(shù)的無線壓力測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)2.2關(guān)鍵技術(shù)的介紹2.2.1ZigBee技術(shù)簡介ZigBee是短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork.PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4技術(shù)標準。但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化，定義了一個靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層，支持多種體系結(jié)構(gòu)來提供高可靠性的無線交流在動態(tài)RF壞境中。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，保證便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸也不會被其它節(jié)點獲得。該技術(shù)標準包括兩個物理層:一個是2.4GHz頻段，全球通用，定義了16個獨立的通信信道，傳輸速率250kbps；另一個是歐洲的868MHz頻段和美國的915MHz頻段，信道分別為1個和10個，傳輸速率分別為20kbps和40kbps。三個頻段都是免許可的ISM頻段。ZigBee技術(shù)的主要特點包括以下幾個部分:1、低功耗:在工作模式下，由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號收發(fā)時間短；在非工作模式下，ZigBee節(jié)點處于休眠狀態(tài)。一般兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年的時間。2、可靠性:ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層支持確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，要求每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，如果在傳輸過程中出現(xiàn)問題可以重新發(fā)送，從而建立了可靠的通信模式。3、時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。4、網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。5、安全性：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee除上述幾個主要特點外，節(jié)能優(yōu)勢非常突出。由于ZigBee應(yīng)用的低帶寬要求，ZigBee節(jié)點可以在大部分時間內(nèi)睡眠，以節(jié)省電池能量，然后蘇醒并迅速發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再去睡眠。ZigBee可以在15毫秒或更短的時間內(nèi)由睡眠模式進入活動模式，因此即使睡眠的節(jié)點也可以取得合適的低時延。ZigBee節(jié)省的大部分優(yōu)勢歸功于IEEE802.15.4技術(shù)，后者本身就是為低功率而設(shè)計的。例如，為了盡可能多地節(jié)省能量，IEEE802.15.4采用DSSS(直接序列擴譜)技術(shù)取代FHSS(跳頻擴譜)，因為后者為保持同步跳頻會消耗較多的功率。ZigBee采用一種“準備好才發(fā)送”的通信策略，它只在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再等待自動確認?！皽蕚浜貌虐l(fā)送”是一種“面對面”(in-your-face)的方案，是一種能量效率非常高的方案。而且，這種“面對面”式策略導(dǎo)致RF干擾非常低，這主要是由于ZigBee節(jié)點具有非常低的占空因數(shù)，只偶爾發(fā)射信號且只發(fā)送小量的數(shù)據(jù)。ZigBee通過減少對相關(guān)處理的需要來進一步節(jié)省能量。一個簡單的8位處理器就可以輕松地完成ZigBee的任務(wù)，而ZigBee協(xié)議棧占用很少的內(nèi)存。例如，一個功能更強的全功能設(shè)備(FullFunctionDevice,FFD)棧需要占用大約32kb內(nèi)存，而一個精簡功能設(shè)備(ReducedFunctionDevice,RFD)棧只需要4kb內(nèi)存。比它們復(fù)雜得多的藍牙技術(shù)則需要占用約250kb內(nèi)存。ZigBee相對簡單的實現(xiàn)也節(jié)省了費用。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，自然降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。2.2.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設(shè)備—全功能設(shè)備和削減能設(shè)備：●全功能設(shè)備（Fullfunctiondevice，F(xiàn)FD)，可以支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器或終端節(jié)點，具備控制器的功能，并且可何一種設(shè)備進行通信?！裣鳒p功能設(shè)備(Redueedfunctiondevivce，RFD)，只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者路由器，可以與其進行通信，實現(xiàn)簡單。ZigBee規(guī)范確定了三種設(shè)備類型，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端傳感器節(jié)點（EndDevice）。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN（PersonalAreaNetwork）有且僅有一個協(xié)調(diào)器，它是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址、維持和管網(wǎng)絡(luò)等。該設(shè)備需要最多的存儲空間和計算能力。路由器作為遠程設(shè)備之間的中繼器來進行通信，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，從而擴展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。只有在簇型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)中存在路由器設(shè)備。終端傳感器節(jié)點不具備路由功能，只能選擇加入已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，與父節(jié)點之間通訊。ZigBee有兩種拓撲結(jié)構(gòu):星狀拓撲結(jié)構(gòu)和對等拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2.2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee協(xié)調(diào)器(PAN協(xié)調(diào)器)是一個起網(wǎng)絡(luò)控制中心作用的FFD。就功能而言，ZigBee協(xié)調(diào)器與扮演ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備角色的FFD沒有區(qū)別，只是根據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的需要，ZigBee協(xié)調(diào)器這個FFD承擔了控制中心的任務(wù)。當網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時，其他FFD也能承擔起ZigBee協(xié)調(diào)器的任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備都有一個64位擴展地址用于網(wǎng)內(nèi)直接通信，如果PAN協(xié)調(diào)器為設(shè)備分配了16位短地址，則設(shè)備可以用短地址通信。在星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲中，所有終端設(shè)備都有唯一的中央控制設(shè)備ZigBee協(xié)調(diào)器通信。終端設(shè)備之間相互獨立，所以終端設(shè)備之間的通信通過ZigBee協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來完成。在對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，也有一個ZigBee協(xié)調(diào)器。與星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲不同的是，對等網(wǎng)絡(luò)拓撲中的任意兩個設(shè)備只要彼此都在對方的無線輻射有限范圍內(nèi)，可以直接通信，無需通過ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。對等拓撲結(jié)構(gòu)星狀拓撲結(jié)構(gòu)對等拓撲結(jié)構(gòu)星狀拓撲結(jié)構(gòu)PAN協(xié)調(diào)器全功能節(jié)點FFD消減功能節(jié)點RFDPAN協(xié)調(diào)器PAN協(xié)調(diào)器全功能節(jié)點FFD消減功能節(jié)點RFDPAN協(xié)調(diào)器圖2.2ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)2.2.3ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)ZigBee聯(lián)盟制定的是一種低成本、低功耗，雙向的無線通信技術(shù)標準。ZigBee的協(xié)議構(gòu)架是建立在IEEE802.15.4標準之上的。IEEE802.15.4標準定義了ZigBee的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)；ZigBee聯(lián)盟則定義了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。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)見圖2.3，由具備不同功能的層次組成，每一層都為上層提供詳細的服務(wù)，數(shù)據(jù)單元提供數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，管理單元提供其他的服務(wù)。每一個服務(wù)層都通過一個服務(wù)訪問點(SAP)作為接口對上層進行訪問，每一個SAP都支持一系列的服務(wù)單元來達到想要的功能。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)體系，雖然基于標準的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4-2003標準定義了最下面兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）的設(shè)計，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對象。圖2.3ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)1、PHY層分析IEEE802.15.4物理層主要完成以下幾項任務(wù):開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機、能量檢測(ED)、鏈路質(zhì)量指示(LQI)、空閑信道評估(CCA)、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。IEEE80.215.4物理層定義了868MHz、915MHz和2.4GHz三個頻段。在這三個頻段上共劃分了27個信道，信道編號k為0-26。2450MHz頻段上劃分16個信道，915MHz頻道有10個信道，868MHz頻道上只有1個信道。27個信道的中心頻率和對應(yīng)的信道編號定義如下：fc=868.3MHzk=0fc=[906+2(k一1)]MHzk=1,2…,10fc=[2405+5(k一11)]MHzk=11,12…，26物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從MAC層到物理層無線信道的接口。從圖2.4可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點和物理層管理體服務(wù)接入點。通過兩個服務(wù)接入點提供如下服務(wù):通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點為物理層提供數(shù)據(jù)服務(wù)；通過物理層管理實體服務(wù)接入點為物理層管理提供服務(wù)。物理層管理實體物理層管理實體數(shù)據(jù)服務(wù)接入點數(shù)據(jù)服務(wù)接入點物理實體—服務(wù)接入點無線射頻—服務(wù)接入點物理層個域網(wǎng)絡(luò)基本信息物理層物理層圖2.4物理層結(jié)構(gòu)模型物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)由三部分組成：同步頭(SHR)允許接收設(shè)備同步并鎖定比特流；物理層幀頭(PHR)包括幀長信息；有效載荷部分是PSDU。PPDU的格式如表2.1所示。前導(dǎo)碼:收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間，會根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成幀同步和符號同步。幀開始符:表示一個數(shù)據(jù)包的開始。幀長度:表示物理幀負載的長度，因此物理幀負載的長度不會超過127個字節(jié)。PSDU:可變長度的字段，它是物理層要發(fā)送的數(shù)據(jù)，即MPDU。表2.1物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變量前導(dǎo)碼幀開始符幀長（7位）預(yù)留位（1位）物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元PSDU同步頭（SHR）物理幀頭（PHR）物理層有效載荷2、MAC層分析MAC公共部分子層—MAC公共部分子層—服務(wù)接入點MAC管理層實體—服務(wù)接入點物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點物理層管理實體—服務(wù)接入點MAC層個域網(wǎng)絡(luò)基本信息MAC公共部分子層MAC公共部分子層—服務(wù)接入點MAC管理層實體—服務(wù)接入點物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點物理層管理實體—服務(wù)接入點MAC層個域網(wǎng)絡(luò)基本信息MAC管理實體MAC管理實體MAC層公共分子層MAC層公共分子層圖2.5MAC層參考模型表2.2MAC層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)字節(jié)數(shù):210/20/2/80/20/2/8可變長度2幀控制幀序號目的PAN標識碼目的地址源PAN標識碼源地址幀有效載荷FCS地址信息MAC頭（MHR）MAC有效載荷MAC尾（MFR）MAC幀，即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU），通常包括三個部分：MAC頭、MAC有效載荷和MAC尾，具體結(jié)構(gòu)如表2.2所示。MAC頭部分由幀控制字段、幀序號字段和地址信息域組成;MAC子層負載長度可變，具體內(nèi)容由幀類型確定；幀尾是幀頭和負載數(shù)據(jù)的16位循環(huán)冗余碼校驗(CRC)序列。3、NWK層分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體，它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實體和管理服務(wù)實體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體(NLDE)通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)接入點(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點(NUME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實體完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫(NIB)的維護和管理。上層實體上層實體NLME-SAPNLDE-SAPNLME-SAPNLDE-SAP網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體網(wǎng)絡(luò)層管理實體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體網(wǎng)絡(luò)層管理實體MCPS-SAPMLME-SAPMCPS-SAPMLME-SAPMAC層實體MAC層實體圖2.6網(wǎng)絡(luò)層參考模型網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用于堆棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供如下服務(wù):（1）配置一個新的設(shè)備:為保證設(shè)備正常工作的需要，設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧，以滿足配置的需要。配置選項包括對一個ZigBee協(xié)調(diào)器或者連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化的操作。（2）初始化一個網(wǎng)絡(luò):使之具有建立一個新網(wǎng)絡(luò)的能力。（3）連接和斷開網(wǎng)絡(luò)。具有連接或者斷開一個網(wǎng)絡(luò)的能力，以及為建立一個ZigBee協(xié)調(diào)器或者路由器，具有要求設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)斷開的能力。尋址:ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器具有為新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力（4）鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn):具有發(fā)現(xiàn)、記錄和匯報有關(guān)一跳鄰居設(shè)備信息的能力。（5）路由發(fā)現(xiàn):具有發(fā)現(xiàn)和記錄有效地傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。（6）接收控制:具有控制設(shè)備接收狀態(tài)的能力，即控制接收機什么時間接收、接收時間的長短，以保證MAC層的同步或正常接收等。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個或多個設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個內(nèi)部個域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體提供如下服務(wù):①生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU):網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通過增加一個適當?shù)膮f(xié)議頭，從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。②指定拓撲傳輸路由，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體能夠發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個合適的設(shè)備，該設(shè)備可能是最終目的通信設(shè)備，也可能是在通信鏈路中的一個中間通信設(shè)備。③安全:確保通信的真實性和機密性。一個NWK幀(即NPDU)由兩個基本部分組成:NWK頭和NWK有效載荷。NWK頭部分包含幀控制、地址和序號信息；NWK有效載荷部分包含的信息因幀類型的不同而不同，它是可變長度。NWK頭中的字段按固定的順序排列，但不是每個NWK幀都包含完整的地址和序列信息字段。NWK幀的格式如表2.3所示。表2.3網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)字節(jié)數(shù)：22211可變長度幀控制目的地址源地址半徑序號幀有效載荷路由字段MWK頭MWK有效載荷4、APL層分析ZigBee應(yīng)用層由三個部分組成，APS子層、ZDO(包含ZDO管理平臺)制造商定義的應(yīng)用對象。APS子層的任務(wù)是維護綁定表和在綁定設(shè)備之間傳信息。應(yīng)用支持子層給網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層通過ZigBee設(shè)備對象和制造商定義的應(yīng)用對象使用的一組服務(wù)提供了接口，該接口提供了ZigBee設(shè)備對象和制造商定義的應(yīng)用對象使用的一組服務(wù)。APS數(shù)據(jù)實體(APSDE)通過與之連接的SAP，即APSDE-SAP提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APS管理實體(APSME)通過與之連接的SAP，即APSME-SAP提供管理服務(wù)，并且維護一個管理實體數(shù)據(jù)庫，即APS信息庫(NIB)。上層實體APSDE-SAPAPSME-SAPAPSDE-SAPAPSME-SAPAPS管理實體APS管理實體APS數(shù)據(jù)實體APS數(shù)據(jù)實體APS信息庫APS信息庫MLME-SAPNLDE-SAPMLME-SAPNLDE-SAPNWK層實體圖2.7APS子層的參考模型每個APS幀(APDU)包含兩個基本部分:APS幀頭和APS有效載荷。幀頭由幀控制信息和地址信息組成;有效載荷則是可變長度，與幀類型相關(guān)的有效信息。APS幀頭中各字段是以固定順序排列的，但不是所有幀都包含地址信息字段。APS幀一般格式表2.4所示。表2.4APS幀格式字節(jié)數(shù)：10/10/10/20/1可變長度幀控制目的端點簇標識配置文件標識源端點幀有效載荷地址字段APS幀頭APS有效載荷2.3ZigBee芯片的選取目前市場上上符合ZigBee標準芯片多種多樣。ZigBee聯(lián)盟的各大芯片生產(chǎn)商Chipcon、Freescale、Ember、Jennic、RadioPu1se、OKI、Helicomm等公司紛紛推出各自的ZigBee無線解決方案。本論文主要使用Chipcon和Ti公司生產(chǎn)的CC2420和CC2430作為無線傳輸芯片，兩者進行比較，確定無線芯片的選取。2.3.1CC2420介紹及其方案設(shè)計CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻芯片，用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備和產(chǎn)品。下面介紹CC2420的主要結(jié)構(gòu)及特點。CC2420的管腳圖，如圖2.8所示，其芯片的主要特點如下1、工作在2400-2483.5MHz的ISM和SRD頻段。采用直接序列擴頻方式；工作速率250kbps；較低的電流消耗（RX:13.3mATX:17.4mA)；內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器；采用低電壓供電(2.1～3.6V)；輸出功率編程可控；2、IEEE802.15.4-2003標準MAC層硬件支持。前導(dǎo)碼與同步字段自動生成與檢測；CRC-16自動生成與檢測；空閑信道檢測；能量檢測、接收信號強度與鏈路質(zhì)量指示；MAC層安全保護(CTR,CBC－MAC,CCM)支持；3、采用4線SPI標準接口,便于MCU配置；4、獨立的128字節(jié)RX和128字節(jié)TX數(shù)據(jù)FIFO；圖2.8CC2420管腳圖根據(jù)CC2420的工作特點，CC2420并不能直接接模擬量的傳感器，而且就地顯示部分需要與低功耗單片機MSP430組成最小系統(tǒng)，才能接液晶及報警等電路。其方案設(shè)計如圖2.9，本方案使用的傳感器必須為數(shù)字量，若為模擬量，需要在傳感器與CC2420之間添加一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。傳感器傳感器MSP430液晶顯示報警電路CC2420CC2420無線傳輸圖2.9基于CC2420無線芯片設(shè)計方案2.3.2CC2430簡介CC2430芯片作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心。CC2430芯片是一個真正的系統(tǒng)芯片(SoC)COMS解決方案，這種解決方案顯著提高性能，能夠應(yīng)用于以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHZISM波段，并具有低成本、低功耗的特點。CC243O芯片沿用了以往CC2430芯片的架構(gòu)，在單個芯片上集成了ZigBee射頻(RF)收發(fā)機、內(nèi)存和增強型工業(yè)級8051微控制器，可實現(xiàn)節(jié)點的微型化。CC2430芯片主要特點如下:1、高性能、低功耗的8O51MCU:優(yōu)化的8051MCU內(nèi)核，是標準9051性能的8倍，雙數(shù)據(jù)指針。2、高達128KB的ROM和2×4KB的RAM:32/64/128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程非易失性編程存儲器;8KB數(shù)據(jù)存儲器，4KB具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力。3、外設(shè)功能:強大的DMA功能;八通道8—14位ADC;l個MAC定時器、1個16位通用定時器和2個8位通用定時器;2個可編程USART;21個可配置的通用數(shù)字1/0引腳，其中Pl_O和Pl_1端口具有20mA的電流吸收或驅(qū)動能力;真正的隨機數(shù)發(fā)生器。4、硬件AES加密/解密(AES支持在硬件處理器中實現(xiàn))。5、低功耗，從低功耗模式到活動模式轉(zhuǎn)換時間極短，使得低占空比系統(tǒng)中的平均功率超低。四個靈活的供電模式;系統(tǒng)可通過外部中斷或?qū)崟r時鐘事件喚醒;16MHZRC振蕩器和無線電活動用的32MHZ晶振。6、802.15.4MAC硬件支持:帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA);能量檢測/數(shù)字化的RSSI;鏈路質(zhì)量指示LQI;MAC負載的CRC—16計算和檢查。由于CC243O芯片本身高度集成化，外設(shè)強大接口豐富，故只需要很少的外部組件，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心模塊CC243O典型電路如圖2.11所示。根據(jù)CC2430的特點可知，CC2430自身帶有ADC，因此傳感器既可以是模擬量也可以是數(shù)字量。CC2430具有高性能和低功耗的8051微控制器核，可以直接連接液晶與報警電路等。方案設(shè)計如圖2.10所示。CC2430CC2430傳感器報警電路液晶顯示CC2430無線傳輸圖2.10基于CC2430無線芯片設(shè)計方案圖2.11CC2430外圍參考電路2.3.3芯片比較選擇根據(jù)圖2.9與圖2.11無線芯片設(shè)計方案比較，按照能完成設(shè)計任務(wù)、易于實現(xiàn)、經(jīng)濟性好等的原則，最后通過比較設(shè)計方案以及芯片特性，最后我們選用Ti公司的CC2430作為本設(shè)計的主芯片，選擇方案二作為本設(shè)計的總體方案。CC2430簡化了設(shè)計，它可以直接與液晶相連，簡化了軟件部分的編寫，與CC2420相比，具有巨大的優(yōu)勢。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。CC2430以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，同時其結(jié)合了Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。2.4液晶顯示的選擇就地顯示部分，液晶顯示部分是重要的一部分，數(shù)據(jù)采集終端采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸后，就地顯示部分實時顯示采集的數(shù)據(jù)。液晶顯示是整個設(shè)計的重要組成部分。因此，液晶的選擇是否合理就顯得尤為重要。本論文選擇的液晶，主要對比選擇常用的兩種液晶LCD1602和LCD12864。2.4.1LCD16021602是最常用的液晶顯示，其引腳圖如圖2.12所示。1602屬于字符型液晶顯示模塊，是一種專門顯示字幕、數(shù)字、符號等點陣式的LCD，目前常用的16×1,16×2,20×2和40×2行等的模塊。本論文根據(jù)設(shè)計低功耗設(shè)計原則，CC2430工作電壓為3.3V，所以選擇3.3V1602。圖2.121602管腳圖對于1602我們已經(jīng)很熟悉，其管腳說明如表2.5所示。表2.5LCD1602管腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9DB2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10DB3數(shù)據(jù)3VEE液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令指令12DB5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13DB6數(shù)據(jù)6E使能信號14DB7數(shù)據(jù)7DBO數(shù)據(jù)15+LED背光源正極8DB1數(shù)據(jù)16-LED背光源負極1602的管腳說明可見，具體說明如下：第1腳：VSS為電源。第2腳：VDD接3.3V電源。第3腳：VEE為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度較弱，接地時對比度較高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時經(jīng)進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，E端由高點平跳變成為低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7-14腳:DB0-DB7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極第16腳：背光源負極2.4.2LCD1286412864漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）。其引腳圖如圖2.13所示。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性:電源：VDD3.3V-+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓)；顯示內(nèi)容：128列×64行與MCU接口：8位或4位并行/3位串行工作溫度(Ta)：0～60℃(常溫)/-20～75℃（寬溫）多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等12864各個管腳的功能以及定義如表2.6所示。圖2.13LCD12864管腳圖表2.6引腳定義及說明引腳引腳名稱方向功能說明1VSS模塊的電源地2VDD模塊的電源正端3V0LCD驅(qū)動電壓輸入端4RS(CS)H/L并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號:串行的片選信號5R/W(SID)H/L并行的讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口6E(CLK)H/L并行的使能信號；串行的同步時鐘7DB0H/L數(shù)據(jù)08DB1H/L數(shù)據(jù)19DB2H/L數(shù)據(jù)210DB3H/L數(shù)據(jù)311DB4H/L數(shù)據(jù)412DB5H/L數(shù)據(jù)513DB6H/L數(shù)據(jù)614DB7H/L數(shù)據(jù)715PSBH/L并/串行接口的選擇：H-并行；L-串行16NC空腳17/RETH/L復(fù)位低電平有效18NC空腳19LED＿A背光源正極（LED+5V）20LED＿K背光源負極（LED-0V）

具體指令介紹：1、清除顯示CODE：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLLLLLH功能：清除顯示屏幕，把DDRAM位址計數(shù)器調(diào)整為“00H”2、位址歸位CODE：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLLLHI/DS功能：執(zhí)行該命令后，所設(shè)置的行將顯示在屏幕的第一行。顯示起始行是由Z地址計數(shù)器控制的，該命令自動將A0-A5位地址送入Z地址計數(shù)器，起始地址可以是0-63范圍內(nèi)任意一行。Z地址計數(shù)器具有循環(huán)計數(shù)功能，用于顯示行掃描同步，當掃描完一行后自動加一。顯示狀態(tài)開/關(guān)CODE：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLLHDCB功能：D=1；整體顯示ONC=1；游標ONB=1；游標位置ON4、游標或顯示移位控制CODE：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLHS/CR/LXX功能：設(shè)定游標的移動與顯示的移位控制位：這個指令并不改變DDRAM的內(nèi)容5、功能設(shè)定CODE：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLHDLX0REXX功能：DL=1（必須設(shè)為1）RE=1；擴充指令集動作RE=0：基本指令集動作6、讀取忙碌狀態(tài)（BF）和位址CODE：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LHBFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0功能：讀取忙碌狀態(tài)（BF）可以確認內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出位址計數(shù)器（AC）的值。2.4.3液晶的比較選擇根據(jù)系統(tǒng)對傳感器的要求，由表2.5與表2.6的比較，根據(jù)兩種傳感器技術(shù)指標的比較以及測試系統(tǒng)對液晶的顯示要求來看，可發(fā)現(xiàn)LCD1602更具有優(yōu)勢。又根據(jù)設(shè)計的原則，本設(shè)計要求低功耗、可靠性，LCD1602更具有優(yōu)勢。因此本論文選用LCD1602型液晶。LCD1602液晶的主要特點:功耗相對不高，符合數(shù)據(jù)顯示需要，而且硬件電路簡單，占用I/O 口相對較少，軟件編輯也相對簡單，為此系統(tǒng)設(shè)計安裝帶來方便。2.5本章小結(jié)正如前章所述，采用傳統(tǒng)的有線方式傳輸數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)在應(yīng)用時容易受到布線、采集對象的運動性等條件的限制，無線通信技術(shù)的日益成熟為解決這一問題提供了有效的途徑。本文的目的是設(shè)計一個功耗低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠且對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于工業(yè)現(xiàn)場的無法布線環(huán)境下的采集數(shù)據(jù)。為達到這個目標，本章對整個系統(tǒng)進行了整體的規(guī)劃，首先分析了系統(tǒng)設(shè)計的原則、系統(tǒng)的性能要求，提出了系統(tǒng)整體設(shè)計方案，講述了系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)，并對系統(tǒng)用到的關(guān)鍵器件進行了比較，確定使用的器件。河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)3系統(tǒng)硬件設(shè)計3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計方案和所用器件在前節(jié)已選定，本節(jié)主要設(shè)計總體原理框圖，以及介紹各個主要模塊的設(shè)計?？傮w設(shè)計框圖如圖3.1所示。主要部分有數(shù)據(jù)采集部分、就地顯示部分及上位及部分。最后對各部分的硬件電路進行介紹。壓力變送器壓力變送器天線電路電源電路液晶顯示報警電路CC2430模塊CC2430模塊天線電路電源電路上位機發(fā)送接收圖3.1硬件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計的主要核心模塊CC2430無線傳輸模塊，除天線電路外，還有接口電路、電源濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路等。3.2ZigBee模塊電路無線傳輸模塊電路包括CC2430芯片及其外圍電路，由于CC2430將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當中因而簡化了電路的設(shè)計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計，縮短了研發(fā)周期。該電路設(shè)計原理圖如圖3.2所示。其原理圖主要包括接口電路、3.3V和1.8V電源濾波路、芯片晶振電路、及復(fù)位電路3部分。其余電路均參照CC2430的參考設(shè)計來完成。圖3.2CC2430無線傳輸模塊原理圖電源濾波電路：為得到更好的電源性能，選擇了合適的去耦電容（如C7，C8等）對電源進行濾波，該部分電路參考Ti公司濾波電容組設(shè)計。芯片晶振設(shè)計：CC2430工作需要兩個時鐘晶振，第一個為32MHz，為無線收發(fā)時鐘；第二個為32.068KHz，為休眠模式提供時鐘。C18和C19為32MHz晶振的負載點電容，電容值取決于負載電容的大小。C18和C19的典型值為27PF。復(fù)位電路：由限流電阻R7，濾波電容C20和按鍵組成，實現(xiàn)低電平復(fù)位。3.3各模塊電路主要模塊設(shè)計主要有液晶顯示電路、電源供電電路、串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。3.3.1液晶顯示電路如圖3.3所示，LCD顯示電路采用的是HJ1602A液晶。VCC工作電壓為3.3V。RS引腳接CC2430的P0.5引腳，用于確定傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令，當為低電平時DB7-DB0上傳輸?shù)氖荓CD芯片的控制命令，當為高電平時DB7-DB0上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。RW引腳接P0.6，用于液晶芯片的讀寫控制。EN引腳接CC2430P0.7引腳，用于控制液晶屏將數(shù)據(jù)讀入。DB0-DB7接CC2430的Pl.0-P1.7口，這八位數(shù)據(jù)線用于向液晶屏寫入數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)。+LED直接接+3.3V電壓，-LED接地。此電路主要用于采集信息的顯示和在線調(diào)試。圖3.3液晶顯示電路3.3.2電源電路本論文的要求低功耗，CC2430的引腳有兩種工作電壓1.8V和3.3V，考慮到就地顯示部分的液晶顯示需要用3.3V供電，此電源設(shè)計為3.3V供電，如圖3.4所示。本設(shè)計中采用2節(jié)AA電池供電。開關(guān)S1用于控制電路是否供電。C4和C5具有濾波作用。圖3.4供電電路電路原理圖3.3.3串口轉(zhuǎn)換電路如圖3.5所示，RS—232接口是一種常用的用于PC機或其他設(shè)備通信的串行通信接口。其標準接口，可直接與PC連接，同時連接到協(xié)調(diào)器模塊上。UART采用標準的TTL/CMOS邏輯電平(0—5V，0—3.3V，0—2.8V或0—1.8V)來表示數(shù)據(jù)，RS232標準采用的是負邏輯電平，5—15V表示邏輯“0”，-5—-15V表示邏輯“1”，而CC2430采用的是TTL電平，0—0.4V表示邏輯“0”，2—3.3V表示邏輯“1”。為了解決二者邏輯電平不兼容，采用電平轉(zhuǎn)換芯片進行信號電平匹配后進行通信實現(xiàn)二者進行通信。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX3232，SP3232EE等，本系統(tǒng)選用SP3232EE芯片完成電平轉(zhuǎn)換。SP3232EE利用內(nèi)部高效的無電感型DC/DC變換器使其可以用+3.0到+5.5V的單一電源供電，傳輸速率最少120KbS。該電路主要作為協(xié)調(diào)器節(jié)點與PC上位機之間的通訊接口，采用4線制。圖3.5RS232串口轉(zhuǎn)換電路原理圖3.3.4天線電路本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點考慮發(fā)射距離采用非平衡天線，即單級棒狀天線。非平衡天線加上一個非平衡變壓器構(gòu)成天線電路。電路中的非平衡變壓器是由Ll、L2、L3和C2組成，其中，L2和L3匹配RF輸入/輸出阻抗50Ω。C2為5.6pF，Ll為2.ZnH，L2為5.6nH，L3為1.8nH。終端傳感器節(jié)點采用平衡天線(折疊式偶極天線)，即PCB貼片天線。偶極有一個虛的接地點，因此提供偏置并不降低天線的性能。另外有的狹小場所采取帶SMA接口的Mini型天線。此電路參考TI公司提供的設(shè)計。3.4本章小結(jié)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，本章首先對論文的總體設(shè)計方案畫出結(jié)構(gòu)框圖，接著通過Ti公司提供的CC2430資料，利用Protel對原理圖進行繪制，并對其CC2430原理圖進行了詳細介紹。然后對于主要模塊（液晶顯示電路、電源供電電路、串口通信電路）詳細介紹了每個模塊的具體實現(xiàn)及功能作用。實物圖見附錄C。河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)4系統(tǒng)軟件設(shè)計4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1IAR開發(fā)環(huán)境本節(jié)介紹CC2430軟件開發(fā)環(huán)境IAREmbeddedWordbenchforMCS-51，怎樣新建一個工程以完成自己的設(shè)計和調(diào)試，開發(fā)環(huán)境如圖4.1所示。1、使用IAR開發(fā)環(huán)境首先應(yīng)建立一個新的工作區(qū)。選File\New\Workspace。建好一個工作區(qū)，可創(chuàng)建新的工程并把它放入工作區(qū)。2、點擊Project菜單，選擇CreateNewProject...彈出建立新工程對話框，確認Toolchain欄已經(jīng)選擇8051，在Projecttemplates:欄選擇Emptyproject點擊下方OK按鈕。3、選擇菜單Project\AddFile或在工作區(qū)窗口中，在工程名上點右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇AddFile，彈出文件打開對話框，選擇需要的文件。4、選擇Project菜單下的Options...配置與CC2430相關(guān)的選項。5、選擇Project\Make或按F7鍵編譯和連接工程。6、選擇菜單Project\Debug或按快捷鍵CTRL+D進入調(diào)試狀態(tài)，也可按工具欄上的按鈕進入調(diào)試。7、在仿真器第一次連接上電腦并下載程序時會出現(xiàn)以下的錯誤提示，復(fù)位仿真器并再次嘗試即可。8、在IAREmbeddedWorkbench中用戶可以在特定的位置?？看翱?，并利用標簽組來管理它們。9、要完整運行程序，選擇菜單Debug\Go，或點擊調(diào)試工具欄上按鈕，如果沒有斷點，程序?qū)⒁恢边\行下去?？梢钥吹絃ED1間隙點亮。如果要停止，選擇菜單Debug\Break或點調(diào)試工具欄上按鈕，停止程序運行。10、退出調(diào)試則選擇菜單Debug\StopDebugging或點擊調(diào)試工具欄上的按鈕退出調(diào)試模式。圖4.1IAR開發(fā)環(huán)境4.2Z—Slack協(xié)議棧介紹本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是IAR7.30B，采用的協(xié)議棧為TI的ZStack—1.4.3。ZStack—1.43是T1推出的符合ZigBee2006規(guī)范的ZigBee協(xié)議棧，主要特點是完全兼容IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案，有利于節(jié)點設(shè)計的通用性和開發(fā)性。TI公司的協(xié)議棧部分采用庫的形式封裝提供，不便擴展修改，但是結(jié)構(gòu)清晰，層次分明、移植方便、能運行在多任務(wù)環(huán)境上的IEEE802.15.4協(xié)議代碼，可謂架構(gòu)上層協(xié)議及應(yīng)用擴展建立良好的基礎(chǔ)。使用IAR打開工程文件SamppleApp.eww后，可以查看到整個協(xié)議棧的各層。部分層次介紹如下:APP應(yīng)用層，這是用戶創(chuàng)建各種各種工程的區(qū)域，即是創(chuàng)建一個新項目時自己要在這里添加的文件。HAL硬件描述層，目錄包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動及操作函數(shù)。MAC層，非開源，以庫的形式給出參數(shù)配置和函數(shù)接口文件。OSAL是協(xié)議棧的操作系統(tǒng)抽象層，以實現(xiàn)多任務(wù)為核心的系統(tǒng)資源管理機制。Z—Stack是通過類似μCOS來實現(xiàn)的，其中協(xié)議的各個層被分配一個任務(wù)，共有如下任務(wù):HAL、MAC、NWK、MT、APS、ZDApp和SampleApp。MT(MonitorTest)主要完成的是串口指令的收發(fā)機解析，并經(jīng)該消息發(fā)給0SI，由操作系統(tǒng)對這些消息進行處理。ZDApp(ZigBeeDevieceApplication)是ZigBee設(shè)備的應(yīng)用層處理函數(shù)，可以通過函數(shù)來與NWK層和APS層進行通信，如完成組網(wǎng)、加入網(wǎng)絡(luò)、端點匹配、綁定等。SampleAPP是用戶完成的部分(也分配了一個任務(wù))，主要在這里完成自己的編程設(shè)置。ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)存儲在非易失存儲器匯中，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點可以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，即路由表和綁定表信息，不需要重新建立或加入網(wǎng)絡(luò)。Z—Stack采用事件循環(huán)機制思想來構(gòu)建，類似μCOS的準操作系統(tǒng)。首先系統(tǒng)各層初始化，處于低功耗模式，如果有事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開中斷，進入OSAL任務(wù)主循環(huán)，比較優(yōu)先級，調(diào)用事件處理函數(shù)，處理完成任務(wù)，結(jié)束后保持低功耗模式。整個Z—Stack主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務(wù)循環(huán)幾個階段。Z—StaCk運行流程圖如圖4.2所示。圖4.2系統(tǒng)運行流程圖4.3顯示程序設(shè)計液晶顯示端口初始化后，CC2430將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)行處理，將要顯示的數(shù)據(jù)傳送給液晶端口，并將相應(yīng)的地址命令和控制命令依次傳輸給液晶端口。液晶讀出CC2430端口內(nèi)容，判斷是數(shù)據(jù)還是命令，并執(zhí)行顯示。其程序流程圖如下圖4.3所示。圖