林木生长监测系统中FFD模块设计

合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计）题目：林木生长监测系统中FFD模块设计 学 院 电子信息工程学院 学科门类 工科 专 业 电气工程及其自动化 学 号 1108441022 姓 名 张忠祥 指导教师 王俊杰 2015年 4月10日摘 要随着人们对低速率无线个人域网的应用需求越来越大，ZigBee技术在近年来得到了快速的发展。由于ZigBee技术具有低功耗、成本低、低速率、近距离和网络容量大等特点，使得其得到了广泛的应用，具有十分广阔的研究前景。我们利用Zigbee的无线传送数据的功能，将其作为数据远程传送模块。Zigbee对温度传感器测得的温度数据或者光照传感器测得数据按时发回到主机接收端。在主机端我们对数据进行分析处理。主机端可以带有显示，报警等功能。本文主要涉及具有完整功能的全功能设备的功能设计。方案中使用STC12A32S2微控制芯片和CC2530无线模块搭建了一个基于ZigBee技术的FFD全功能模块，该模块通过DS3231进行精确的定时，并且采用无线数传模块与上位机通信。FFD在网络中充当中心节点和协调器的作用，负责向终端节点查询温度的信息，然后反馈给计算机，达到无线测温的目的。关键词:无线数据传送，全功能模块（FFD），ZigBee，CC2530，光照，温度ABSTRACTRecently ZigBee is developing at a high speed because the application demand on low-rate wireless personal area network is increasing. ZigBee technology has been widely applied in life as it has the following key features：low power，low cost，low data rate，short distance and large network capacity. It has very broad prospects for research.We use Zigbee wireless transmitting data function, data remote transmission module. Zigbee data of temperature sensors measured temperature or light sensor measured data is sent back to the host at the receiving end on time. We analyze the data processing in the host. The host can with display, alarm, etc.Through the analysis of wireless sensor and its network protocol,a method is proposed for temperature measurement based on ZigBee protocol wireless network FFD module design.The program is the use of STC12A32S2 microchip and CC2530 radio-chip to built a full function device based on ZigBee technology. Keywords：The wireless data transmission,FFD,ZigBee,CC2530,Temperature,light目 录目 录3前言5第1章 本论61.1 课题背景61.2国内外研究现状61.3 课题研究的目的和意义71.4 论文研究的主要内容7第2章 ZigBee协议及其网络结构82.1 ZigBee网络结构概述82.1.1 Zigbee协议体系结构82.1.2 ZigBee网络拓扑结构112.1.3 工作模式122.2 ZigBee协议122.2.3 ZigBee协议标准122.3 逻辑设备类型122.4一个简单的无线数据通信时的一般步骤122.5节点类型12第3章 系统硬件电路的实现133.1 方案实现总框图133.2其硬件资源清单133.3ZigBee系统的总体结构143.3.1 CC2530芯片143.3.2应用153.3.2SZ05-ZBEE嵌入式无线通信模块163.4 MCU及外围电路173.4.1 STC12A32S2简介173.4.2 STC12A32S2晶振连接电路设计183.4.3定时电路设计183.4.4 STC12A32S2复位电路设计193.4.5 LCD显示电路设计203.5 PC机接口电路203.5.1 RS-485通信203.5.2 无线数传模块20第4章 系统软件的实现214.1总流程图214.2 建立工程214.3子程序模块分析214.3.1 初始化子程序段214.3.2 外部中断子程序224.3.3 串行中断1子程序234.3.4 串行中断2子程序244.4 系统软件对功耗的影响24第5章 系统性能测试265.1 通信距离测试26第6章 结论与展望286.1 结论286.2 展望28致谢29参考文献30附录A Zigbee测温网络中FFD模块的原理图31前言随着物联网无线通信技术的发展，无线通信、无线控制、无线组网和移动连接等走进我们生活，其原理主要运用Zigbee技术实现。单片机具有很强大的功能拓展，我们可以运用其特性进行物联网无线通信设计，我们的生活，信息可以进行通信交流，进而可以实现智能控制。这些新技术必将具有强大生命力和广阔的市场前景。很多领域由于物联网都实现智能化的革命。森林树木生长状况的检测对于消除森林安全隐患有很重要的意义。通过本装置对林木外部生长质量检测。在一些森林保护工作中运用这种技术手段有很大进步。我们通过监测信息对很多状况可以预测防预。运用无线Zigbee技术，我们就可以解决问题，同时，林木生长过程全程监测与生长要素控制可以市林木更加安全健康。运用信息技术，可以解决林木生长中的一些问题。为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备， IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers ，电气及电子工程师学会) 定义了两种不同类型的设备：一种是完整功能设备(full functional device， FFD)，另一种是简化功能设备(reduced functional device， RFD)。1本设计在ZigBee协议的基础上，提出了FFD的设计方案，完成了硬件电路的设计和程序的编写，最后完成对整个网络进行测试和数据分析。以下是本文的主要工作以及论文的组织结构。第一章:绪论。主要阐述该课题研究的背景和国内外的现状及意义，并说明了本文具体设计的内容。第二章:介绍ZigBee协议及其网络拓扑结构。接着给出了Zighee协议的相关概念，并介绍了Zighee网络的拓扑结构和节点工作模式。第三章:硬件设计。主要描述了利用STC单片机解决ZigBee的方案，包括ZigBee模块、MCU的外围电路以及LCD显示电路的设计。第四章:软件设计。包含程序，其中包括流程图的绘制以及各子程序的分析。第五章：系统性能测试。本章主要对硬件电路在实际应用中的性能测试进行分析，进一步说明本设计的不足和优点。第六章：结论与展望。第1章 本论当问我 ZigBee 是什么的时候？我会回答：单片机+无线模块。例如一块ZigBee 的MCU只要一片CC2530就行。其功能强大、组网方式千变万化。无线传输的属性中我们可以看到Zigbee的应用范围是低速率远距离的。这造就了Zigbee低功耗信息传输的优势，网上经常谈到两节普通的5号干电池可以使用6个月到2年的时间，免去充电和更换电池的麻烦。在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都可以发挥很大作用，可以做到智能化检测。2Zigbee的应用领域很广。随着技术日益成熟以及价格的下降，Zigbee在大多领域取代原始的无线模块是毋庸置疑的。举个最简单的例子，终端节点和协调器的最大通讯距离为200米，我们在200米的地方加入1个点作为路由器，那么终端就可以通过路由器转发，也就是说通讯距离可达400米。而且新节点加入现有网络极为方便。我们姑且可以先把ZigBee当成普通的无线模块应用。开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围。ZigBee协议是为家庭控制、安全系统、建筑自动化等方面设计的传感器网络协议。本文将会分析ZigBee协议的结构并基于ZigBee协议实现一种温度传感器网络。平台是 IAR + Z-stack 2007 PRO，芯片是 TI 公司的CC2530。1.1 课题背景随着社会的发展，人们对通信技术的要求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi、WiMAX，无线USB，UWB等。其中蓝牙(Bluetooth)、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。对于工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域。ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准与其他几种无线通讯标准相比。3具有如下特点：1.成本低2.低功耗3.时延短：ZigBee的响应速度较快4.网络容量大5.可靠度高6.安全7.传输距离远：两节点间的物理传输范围一般介于10-100米之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3千米。41.2国内外研究现状传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的高技术之一。国外的一些著名大学，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作。加州大学洛杉矶分校在生态监控方面研究了小气候传感器和视频传感器网络技术，在地震监控和响应结构方面研究了数据通信控制器和网络时间同步、传感器可靠部署、宽带地震网络、结构检测的无线地震监控网络。5在国内传感器网络系统方面的研究发展比较迅速。在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。1.3 课题研究的目的和意义温度感应和监测技术在社会生产生活各个方面都有广泛应用，如医疗护理、环保、科研等。目前，此项设计的意义在于对无线测温的实用性机很强。对无线传感器网络节点的体系结构及各个模块的能量消耗情况进行了初步的分析，提出了无线传感器网络节点构架设计的系统方式，确定FFD主动的协调方式的架构设计。ZigBee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。适合采用ZigBee网络来实现。ZigBee是一个可由多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m到几百米甚至几公里，另外整个ZigBee网络还可以实现与现有的其它的各种网络例如工业以太网等的连接。6ZigBee网络主要应用在工业控制(例如矿井监控系统)，汽车控制(例如轮胎压力监测系统)、农业控制(例如精确耕种监控网络)、医学领域(例如血压、体温和心跳监视网络)、家庭智能控制(例如照明、水电气计量及报警)、消费类电子设备的遥控装置以及PC外设的无线连接等领域。71.4 论文研究的主要内容本文主要研究基于ZigBee的无线测温网络中的FFD模块设计，本课题选用的是实现基于STC8052处理器和CC2530射频芯片的实用的、低成本的且可以灵活扩展的ZigBee系统，并在此基础上移植ZigBee协议栈，组建ZigBee网络，实现与节点间的信息交互。本次设计的内容是无线测温网络中的FFD模块，要求基于ZigBee技术组网，担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或RFD连结，具备控制器的功能，可提供信息双向传输。主要对组网的方式，控制效率分析设计。完成模块的硬软件设计，硬件体系结构图和软件代码。8第2章 ZigBee协议及其网络结构2.1 ZigBee网络结构概述利用ZigBee技术组建的是一种低数据传输速率的无线个域网（Low Rate Wireless Personal Network，LR-WPAN），网络的基本成员成为“设备（Device）”。网络中的设备按照功能的不同分为两类：具有完整功能的全功能设备（Full Function Device，FFD）和只具有部分功能的精简功能设备（Reduce Function Device,RFD）.其中RFD功能非常简单，可以用最低端的MCU实现，在网络了只能作为不需发送大量数据的终端设备，只能和某个特定的FFD进行通信。而FFD可以作为个域网的主协调器、协调器，也可以作为终端设备实用。在一个网络里至少需要一个主协调器。在有些覆盖范围较大的场合，可以组建树簇型ZigBee网络，通过路由器实现多跳的数据传输，作为路由器的必须是FFD。92.1.1 Zigbee协议体系结构看了Zigbee的体系结构，联想到TCP/IP的体系结构，觉得似乎每个协议都是由OSI七层协议演化而来的，由图可以看出IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层，而Zigbee联盟定义了网络层、应用层技术规范，每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。各层介绍:物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层功能1)ZigBee的激活；2)当前信道的能量检测；3)接收链路服务质量信息；4)ZigBee信道接入方式；5)信道频率选择；6)数据传输和接收。MAC层MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。_MAC层数据服务：保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发。MAC层管理服务：维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC层功能1）网络协调器产生信标；2）与信标同步；3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；4）为设备的安全性提供支持；5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。网络层（NWK）ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。网络层功能：1)网络发现；2)网络形成；3)允许设备连接；4)路由器初始化；5)设备同网络连接；6)直接将设备同网络连接；7)断开网络连接；8)重新复位设备；9)接收机同步；10)信息库维护。应用层（APL）ZigBee 应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee 设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求将它们匹配地连接起来。ZigBee 设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如ZigBee 协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee 设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee 应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。应用程序框架（AF）：运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规范（profile）运行在端点1 240上。在ZigBee应用中，提供2种标准服务类型：键值对（KVP）或报文（MSG）ZigBee设备对象（ZDO）：远程设备通过ZDO请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象获取相应描述符值。另外，ZDO提供绑定服务。2、ZigBee 节点类型三种ZigBee 协调者-coord 为协调者节点a) 每个ZigBee 网络必须有一个b) 初始化网络信息.ZigBee 路由器-router 为路由节点a) 路由信息ZigBee 终端节点-rfd 为终端节点a) 没有路由功能低价格总结: ：ZigBee协议栈已经实现了ZigBee协议，用户可以使用协议栈提供的API进行应用程序的开发，在开发过程中完全不必关心ZigBee协议的具体实现细节，要关心的问题是：应用层的数据是使用哪些函数通过什么方式把数据发送出去或者把数据接收过来的。所以最重要的是我们要学会使用ZigBee协议栈。112.1.2 ZigBee网络拓扑结构ZigBee可以完成很好的组网功能，可以形成星型、树型和网状网，我们选用基本的点对点通信形式，主要操作zigbee协议实现；从设备在组网中的功能区别，ZigBee网络中的功能设备分为三种。第一种终端设备，结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠之中，很大程度降低功耗，节约电能，它们称为终端设备（End Device）。每个终端设备中最多可以有240个端点，这些端点共享同一个无线收发器，但执行不同的应用任务。处于中间层次的是路由器，它们必须具备数据的存储和转发能力、路由发现能力。路由器必须是FFD。在网络结构的最顶层的是ZigBee协调器。协调器的总处于工作状态，因此它必须有稳定、可靠的电源供给。协调器也必须是FFD。图2- 1 星状网、树状网和网状网三种拓扑结构2.1.3 工作模式信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，这样可以降低功耗，在一些特殊场合比较有优势。而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由器 设备必须长期处于工作状态。Zigbee 的特点就是远距离低功耗的无线传输设备，节点模块闲时可以进入睡眠模式，在需要传输数据时候进行唤醒，能进一步节省电量。2.2 ZigBee协议ZigBee的协议分为两部分，IEEE 802.15.4定义了PHY（物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。ZigBee 协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一直，以函数的形式实现，并给用户提供 API(应用层)，用户可以直接调用。12在开发一个应用时，协议较底下的层与应用是相互独立的，它们可以从第三方来获得，因此我们需要做的就只是在应用层进行相应的改动。TI 推出的 ZigBee 2007 协议栈也称 Z-Stack，用户通过 API 函数就可以轻易用 ZigBee。2.2.3 ZigBee协议标准ZigBee 协议栈建立在 IEEE 80215 4 的 PHY 层和 MAC 子层规范之上。它实现了网络层(networklayer，NWK)和应用层(applicationlayer，APL)。在应用层内提供了应用支持子层(application support sublayer，APS)和 ZigBee 设备对象(ZigBee Device Object，ZDO)。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。ZigBee 的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点 (SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。2.3 逻辑设备类型在 ZigBee网络中存在三种 逻辑设备类型：Coordinator(协 调 器 ) ，Router(路 由 器 ) 和End-Device(终端设备)。ZigBee 网络由一个 Coordinator 以及多个 Router 和多个 End_Device 组成。2.4一个简单的无线数据通信时的一般步骤1、 组网 2、 发送3、 接收2.5节点类型ZigBee 网络包含三种类型的节点，即协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由ZR(ZigBee Route)和终端设备ZE(ZigBee End Deviee)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。协调器：一个ZigBee 网络PAN(Personal Area Network)有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力；路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在；终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动进行通信，工作方式为节点之间的信息通信。13第3章 系统硬件电路的实现3.1 方案实现总框图本研究的核心电路是无线测温网络中的全功能（FFD）模块的设计，首先需要设计出来符合ZigBee标准的FFD电路。该电路主要由三个部分组成：射频模块、MCU部分及外围电路和PC机接口电路，如图3-2所示。图3- 1 FFD硬件设计总框图射频部分采用德州仪器公司生产的CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。外围电路部分包括：程序调试端口、指示电路、报警电路、显示电路等。其中程序调试端口是利用ISP接口来调试和下载程序；指示电路使用发光LED灯的状态来表示；报警电路可以选用SPK蜂鸣器报警电路；显示电路选用I2C式液晶显示电路。与PC机接口电路采用RS232通信方式，通过RS-232串口提供调试过程中的信息并与PC机互交ZigBee组网过程中的信息；同时，在设计ZigBee的FFD模块时预留了一些端口供灵活使用。3.2其硬件资源清单项目名称型号说明1CPUCC2530内存256M，最大发射功率4.5dBM2系统时钟32M高精度无源晶振3实时时钟32.768kHz无源晶振4电池3.7V3.7V手机锂电池5LED3色.红、黄、绿 3色LED灯6键盘2路按键7下载接口8串口接口5UART接口9ADC接口2芯10天线接口SMA11天线2.4G杆状天线和PCB天线12功放CC2591最高放大倍数22dBm13电源接口5V5V转3.3V，200mA3.3ZigBee系统的总体结构本网络有若干个ZigBee终端节点和一个ZigBee中心节点(协调器)搭建一个星型的无线传感器网络，有终端节点上的温度传感器采集环境温度信息并由终端节点通过无线芯片发送到中心节点，中心节点将接受到的信息及时反馈到计算机上。整体网络结构如下图3-1所示：图3- 2 ZigBee系统总体结构图本课题选用的是实现基于STC12A32S2处理器和CC2530射频芯片的实用的、低成本的且可以灵活扩展的ZigBee系统，并在此基础上移植ZigBee协议栈，组建ZigBee网络，实现节点间的信息交互。方案:采用增强型8051单片机STC12A32S2控制器，该产品特点是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX10专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换（300K/S），针对电机控制，强干扰场合。采用增强型8051单片机STC12A32S2作为控制处理器是本设计的最佳方案，一是该芯片能够完成本设计所有的设计要求，避免浪费；二是其特点是低电压、低功耗符合现代电子产品设计理念；三是经济方面也最为合适，价格低廉，开发成本低，性价比高，稳定好。3.3.1 CC2530芯片CC2530 采用 40 脚 QFN 封装，其引脚图如下：图3.1 13.3.2应用远程控制系统（需要大于64-KB闪存）工业控制和监控低功耗无线传感网络医疗保健，无线设备CC2530 具有一个IEEE 802.15.4 兼容无线收发器。RF 内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU 和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。(3) CC2530 芯片典型硬件电路CC2530 芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。下图3-3为 CC2530 芯片的一种典型硬件应用电路。关于Zigbee的选型方案，参考下图：正如上图所示目前市场上有三种 ZigBee 芯片方案，单芯片方案、ZigBee 处理器+MCU 方案和 RF芯片+含 ZigBee 的 MCU 方案。三种方案中，方案一所使用的单芯片方案是空间占用最少的，将微控制器、协议栈和射频收发前端整合到单一的芯片上，从而降低了芯片成本和功耗，成为真正意义上的SoC（System on Chip）解决方案，该方案的优点是利用单芯片集成电路有效地降低系统功耗；内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰；减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性；减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处理的速度。TI 公司的 CC2430、CC2431、CC2530、CC2531都是第一种方案的典型的应用有。方案二采用的是 MCU，典型应用有 MSP430+CC2480，CC2480 是德州仪器 (TI)近日推出的最新 Z-Accel 系列 2.4GHz ZigBee 认证网络处理器中的首款产品，CC2480 把已经做好的 ZigBee 协议栈的软件放到芯片内部，用户通过外加一个 MCU，把应用程序放在外面的 MCU，这样就不用花很多的时间去开发 ZigBee协议栈方面的软件。CC2480 能够处理所有时序关键型与处理密集型 ZigBee 协议任务，而将应用 MCU 的资源占用空间释放出来用于满足其他应用要求。CC2480 能够通过 SPI 或 UART 接口与各种 MCU 通信。方案三采用含有 ZigBee stack 的 MCU+RF 芯片的方案，典型的应用有 MSP430+CC2420，MSP430+CC2520。这种方案的优点是灵活性大，功耗相对较低。图3- 3 CC2530典型硬件电路3.3.2SZ05-ZBEE嵌入式无线通信模块顺舟科技SZ05系列为实现无线通信模块，集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。 SZ05系列无线通信模块数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。 SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。15图3- 4 SZ05系列嵌入式模块典型连接图图3- 5 SZ05系列嵌入式模块实物图3.4 MCU及外围电路MCU部分使用中国大陆本土宏晶科技生产的增强型8051单片机STC12A32S2，其特点是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX10专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换（300K/S），针对电机控制，强干扰场合。3.4.1 STC12A32S2简介STC12C5201AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速8位A/D转换(300K/S),针对电机控制，强干扰场合。3.4.2 STC12A32S2晶振连接电路设计STC12A32S2单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入，如图3-6。在本设计系统中采用的是内部振荡电路连接法，如图3-7所示。图3- 6 内部振荡电路连接图图3- 7 外部振荡电路连接图外接晶体以及电容C1、C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡。对外接电容值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。外接晶体时，C1和C2通常选20pF左。3.4.3定时电路设计时钟电路的产生有很多种方式，比如通过MCU内部定时器产生时钟周期或是通过时钟芯片来产生时钟周期。由于它们的产生原理与方式不同，所以各有优缺点：MCU内部定时器产生时钟周期是通过软件的方式来产生，简单易行，易于实现，但是在对时钟精确度要求较高的情况下，不能满足要求；而采用时钟芯片来产生的时钟周期精确度高，能够满足较高要求的情况，但是，其电路结构复杂，实现难。由于本设计对时钟精确度的要求较高，因此，采用时钟芯片DS3231来产生精确的时钟周期，以满足设计的要求。DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟（RTC），具有集成的温度补晶体振荡器和晶体。该器件包括电池输入端，断开主电源时仍然可保持精确的计时。其与MCU连接图如图3-8所示。图3- 8 定时电路3.4.4 STC12A32S2复位电路设计单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。方案一：上电复位电路上电瞬间，RST端的电位与Vcc相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小，RST电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期，在这段时间里，振荡建立时间不超过10ms。复位电路的典型参数为：C取10uF,R取2k,故时间常数=RC=1010210=20ms足以满足要求。其电路如图3-9所示。图3- 9 上电复位电路连接图方案二：外部复位电路按下开关时，电源通过电阻对外接电容进行充电，使RES端为高电平，复位按钮松开后，电容通过下拉电阻放电，逐渐使RET端恢复低电平，如图3-10所示。图3- 10 手动上电复位电路连接图本设计采用的是STC12A32S2单片机，由于其内置看门狗硬件电路，故复位端采取置空或是当做I/O口用，设计采用下拉一电阻接地。3.4.5 LCD显示电路设计LCM显示电路采用SMS0801标准数码笔段型液晶显示模块(LCM)，采用数码笔段型液晶显示器(LCD)，可显示8位数字及7个小数点宽电压工作范围，微功耗，与MCU单片机采用二线式串口连接，广泛应用于手持式仪器仪表，智能显示仪表。其接口电路如下图3-11所示图3- 11 LCD与MCU的连接图3.5 PC机接口电路3.5.1 RS-485通信本设计采用RS-485串行通信与PC机相连接，通过串口将采集到的数据发送给计算机，然后计算机根据相应的设置进行操作，其接口电路如图3-12所示。图3- 12 RS-485通信接口电路3.5.2 无线数传模块无线天线传输数据具有很好的适应复杂环境的能力。第4章 系统软件的实现4.1总流程图本设计的软件实现是通过Keil和IAR编译软件来实现的。FFD模块主要起到协调作用，实现对下位机节点的巡检和对上位机的通信，如下图4-1所示为软件的总流程图图4- 1 程序总流程图从流程图上可以看出，在主程序中一直在等待，所有的功能均是通过中断来实现的，本次采用了一个外部中断和两个串行中断。两个串行中断分别实现对上位机的串行通信和对下位机ZigBee节点进行通信，该处理程序十分重要，它的处理来实现下位的低功耗。与ZigBee的通信，就是要通过DS3231产生同步时钟，并且每经过一个小时进行与下位机节点的一次校正，保证时钟同步，而且每经一秒巡检一个节点，这样对于节点模块实现低功耗具有很重要的意义；而与上位机的通信，就是将所采集的数据上传给上位机进行存储、处理。4.2 建立工程安装完协议栈Zstack-1.4.3.1.2.1 后，找到C:Texas InstrumentsZStack-1.4.3-1.2.1ProjectszstackSamples下的Simple App工程，双击SimpleApp.eww 打开工程，在Workspace 下拉框中选择SimpleCollectorEB。保存后将文件夹名“SimpleApp”改为“Coordinator”，协调器工程。4.3子程序模块分析该系统的子程序主要包括:初始化子程序段、外部中断子程序、串行中断1和串行中断2，在以下各节中将对其分别进行分析。4.3.1 初始化子程序段#include 定义为嵌入系统初始化程序段。其中包括设置堆栈，将LCD显示位的存储区间NUM1_RAMNUM8_RAM赋值为0,设置程序状态字P4SW，将各寄存器清零，设置DS3231初始化程序，设置ZigBee接收和发送模式，设置串行口1和串行口2工作方式，设置串行通信波特率，开中断，设置中断控制寄存器，置位RS485使其处于发送状态等。4.3.2 外部中断子程序外部中断由DS3231产生，每当DS3231产生精确的1秒时都会触发外部中断0产生中断。在中断处理程序中，读取DS3231秒的值，并调用显示子程序，然后向RFD子节点模块发送55H进行查询。如下图4-2所示为外部中断流程图。图4- 2 外部中断流程图EX0INT: PUSH ACC;外部中断子程序PUSH PSWLCALL CLRDS3231LCALL DS3231_READLCALL CLRDS3231MOV A,SECONDANL A,#0FHMOV NUM2_RAM,AMOV A,SECONDSWAP AANL A,#0FHMOV NUM1_RAM,AMOV NUM3_RAM,#00HMOV NUM4_RAM,#00HMOV NUM5_RAM,#00HMOV NUM6_RAM,#00HMOV NUM7_RAM,#00HMOV NUM8_RAM,#00HLCALL DISP_NUMLCALL SEND_RFDPOP PSWPOP ACCRETI4.3.3 串行中断1子程序图4-3所示为外部中断流程图，串行中断1负责与上位机的通信，其采用RS485通信方式，将节点采集过来的数据通过中心节点（FFD）上传给上位机。由于中心节点的存储空间有限，所以要及时将数据发送给电脑，在电脑中对数据进行分析、存储。UART1: PUSH ACC PUSH PSWMOV A,SBUF CLR RI CJNE A,#0FEH,UART1_RET LCALL DELAY_URAT1 JNB UART_SUCC_FLAG,UART1_RET MOV A,SUBF CJNE A,#55H,UART1_RET LCALLDELAY_URAT1JNB UART_SUCC_FLAG,UART1_RET MOVA,SBUFCJNE A,#02H,UART1_3LCALLSEND_SUB2_TEMP AJMP UART1_RETUART1_3: CJNE A,#03H,UART1_RET LCALL SEND_SUB3_TEMPUART1_RET: POPPSW POPACC RETI图4- 3 串行中断1流程图4.3.4 串行中断2子程序串行中断2主要负责对下位机的巡检，并与其通信，将节点对环境温度测试的数据采集过来，并且将接收到的数据存储在相应的存储空间，通过LCD显示接收的信息。UART2: PUSH ACCPUSH PSWMOV A,S2CONANL A,#0FEHMOV S2CON,AMOV A,S2BUFCJNE A,#55H,UART2RET1;判断接收到的是否为55H? ;不等则跳出中断LCALL UART2_RECEIVE;等，则继续接收JNB UART2OK_FLAG,UART2RET1;判断接收是否正确;否，则跳出MOV A,S2BUF;正确则继续接收MOV NUMX_RAM,A;并存储在NUMX_RAMLCALL DISP_NUM;调用LCD显示程序UART2RET1:POP PSW POP ACC RETI图4- 4 串行中断2流程图4.4 系统软件对功耗的影响ZigBee技术的优势在于其低成本和低功耗的特性，而本设计的思想也是在其低功耗的基础之上进行的研究。在整个系统中，通过中心节点和终端节点的相互配合，并提高软件的实现效率，以提高FFD的巡检速率，进而实现对终端节点模块RFD的节能研究。无线收发器可以在不同模式下工作,一般具有4种工作方式:发送、接收、空闲和休眠。对于小功率发射来说,发射模式和接收模式消耗的功率大体上相同,甚至接收比发射需要更多的功率,这主要取决于收发器的体系结构。空闲模式的功率消耗可以比接收模式的消耗少,或者与接收功率相同。为了减少低传输流量条件下无线传感器网络的平均功率消耗,使收发模块长期处于空闲模式也会消耗大量的能量。因此,需要将收发器置于休眠状态,而不仅仅是空闲状态,即大部分时间内收发器是关闭的,只在必要时才激活使其在一个低占空比下工作。但是这样处理会增加复杂性,必须考虑额外消耗的时间和功率。15实验表明：经测试改进前的平均工作电流约为80 mA，改进后在扫描周期为60秒的情况下的平均工作电流为0.5246mA。其中在一个扫描周期内其工作状态如表4-1所示。表4- 1 RFD各种工作状态下的功率消耗工作状态工作电流工作时间单片机掉电、ZIGBEE掉电（RES、SLEEP、P0-P4 全高、无LCD)0.131mA59.714s单片机正常、ZIGBEE掉电6.80mA0.019s单片机休眠、ZIGBEE等待接收状态68.50mA0.150s单片机正常、ZIGBEE正常处在接收状态300mA0.003s单片机正常、ZIGBEE正常处在发送状态800mA0.006s单片机正常、ZIGBEE等待75mA0.1s单片机