毕业设计（论文）-地下车库车牌识别及灯光导航系统智能网关设计.doc

本科毕业设计说明书 题 目 地下车库车牌识别及灯光 导航系统 智能网关设计 院 部 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 山东建筑大学毕业设计说明书 I 目 录 摘 要 III ABSTRACT IV 1 前 言 1 1 地下车库发展历程 1 1 2 国内外发展现状 2 1 2 1 地下车库管理系统发展现状 2 1 2 2 智能网关发展现状 3 1 3 论文的研究内容 4 2 系统总体设计及分析 2 1 地下车库系统需要实现的功能 5 2 2 地下车库系统的总体设计方案 6 2 3 地下车库网关平台硬件结构 7 2 4 智能网关的硬件选型 7 2 4 1 MSP430F149 处理器 7 2 4 2 电源芯片选型 8 2 4 3 以太网模块选型 9 2 4 4 通信模块选型 9 2 4 5 串口模块选型 17 3 硬件电路设计与实现 3 1 控制系统的连接 18 3 2 TTL RS232 接口电路的设计与实现 18 3 3 供电模块设计与实现 19 3 4 晶振及复位电路 20 3 5 网络接口模块 21 山东建筑大学毕业设计说明书 II 3 6 ZIGBEE通信模块电路设计 22 3 7 JTAG 接口电路设计 23 4 系统软件设计与实现 4 1 主控制器程序设计 25 4 2 ZIGBEE模块程序设计 27 4 2 1 ZigBee 协议 27 4 2 2 Z Stack 协议栈介绍 28 4 2 3 ZigBee 模块数据收发 30 4 3 以太网模块程序设计 30 4 3 1 uIP 协议栈 30 4 3 2 基于 uIP 的 TCP 协议的实现 31 4 3 3 uIP 与设备驱动接口 33 4 3 4 uIP 与系统计时接口 34 4 3 5 uIP 协议栈与应用程序的接口 34 4 4 串口通信子程序 34 5 结束语 35 谢 辞 36 参考文献 37 附 录 39 山东建筑大学毕业设计说明书 III 摘 要 本文作为整个地下车库车牌识别及灯光导航系统课题的一部分 设计并实现了以太 网接入 ZigBee 网络的网关系统 在 TI 公司公开的 ZigBee 解决方案基础上 分析当今流行的嵌入式 Internet 技术 综合考虑成本 功能要求等因素 设计了基于 ZigBee 技术的地下车库车牌识别及灯光导 航系统的整体方案 以低功耗 资源丰富的 MSP430F149 单片机为核心 通过网络芯片 CS8900A 和符合 IEEE8O2 15 4 协议的芯片 CC2530 分别接入以太网和 ZigBee 网络 设计 并制作了微控制器电路 以太网接入电路和 CC2530 射频模块 研究实现 TI 提供的 ZigBee 协议 Z stack 建立了 ZigBee 节点 然后对嵌入式 TCP IP 协议以及 Z Stack 进 行协议融合 提出了基于 ZigBee 技术的无线传感器网络网关的协议模型 即在同一个 MCU 中实现了两个不同的协议栈 使用嵌入式 C 语言在应用层编写程序交换报文 关键词 地下车库 ZigBee TCP IP 网关 山东建筑大学毕业设计说明书 IV License Plate Recognition and Underground Garage Lighting Navigation System Intelligent Gateway ABSTRACT As a part of the whole license plate recognition and underground garage lighting navigation system this paper presents the gateway between Internet and ZigBee Based on ZigBee solutions provided by TI company and analysis of popular embedded Internet technology taking cost and demand into account this paper designed a ZigBee based gateway solution Taking MSP430F149 as MCU connecting Internet and ZigBee network individually through CS8900A and CC2530 MCU circuit Internet interface circuit auxiliary circuit and CC2530 RF module are made Transplanting embedded Internet implementing Z Stack this paper also setup a ZigBee node After analyzing the implementation of TCP IP and Z Stack this paper raised the gateway protocol model of ZigBee based wireless sensor network which mean to run two protocols in one simple MCU and programmed in embedded C to exchange packet on the application layer Key Words underground garage basement parking ZigBee TCP IP gateway 山东建筑大学毕业设计说明书 1 1 前 言 1 1 地下车库发展历程 地下车库管理系统是伴随着公用收费停车场这一新生事物而诞生的 它的出现克服 了人工收费方式存在的收费过程繁琐 通行效率低下以及票款流失严重难以解决的问题 随着经济的发展以及技术的进步 种类繁多的地下车库管理系统竞相出现 许多现代技 术控制领域及智能交通领域的前沿技术在停车场管理系统中得到广泛的应用 使当今地 下车库管理系统越来越智能化的特点 80 年代酝酿 上世纪80年代左右 随着汽车数量在我国的逐步增多 地下车库成了一 项新的建筑设施 其主要任务是保管停放车辆 一个人 一个板凳一个包 就是当时停车 管理的真实写照 90 年代起步 地下车库规模有所扩大 但人们对相关配套设施的关注还仅仅停留 在收费系统上 出入口控制系统的出现 是模仿国外的停车收费系统 结合门闸设施 在停车场的出入口设置的管制设备 主要用于对停车费用的收取和安防防盗方面 它最 早是在传统的门锁基础上发展而来 从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度 使通道管理进入了电子时代 虽然出入口控制系统的应用领域越来越广 但国内的相关 产品在在工艺和外观处理上不够精细 而且由于国外的收费系统主要是向无人职守方向 发展 而国内企业由于历史的原因 几乎都是走出口收费的模式 因此在国外市场上的 竞争力较弱 没有树立起坚实的企业品牌 在国外发达国家市场几乎难有建树 发展稳定阶段 从 1990 年开始 市场的需求 推动了行业的发展 同时也促进了 产品技术的更新 我国车位引导系统从早期的城市诱导系统发展而来 早期的城市停车 诱导旨在指引车辆停放到地下车库中 只能实现简单的指引功能 各方面都很不完善 数据存在严重的累积性误差 当地下车库规模逐步扩大 就出现了将车辆直接引导到空 车位的需求 车位引导技术由是进入人们的视野 在车位引导系统中融入车位指示灯 通过指示灯红绿灯显示颜色的转变 车位空满状况一目了然 车位引导技术进入可视化 时代 车位指示灯的引入真正带动了车位引导系统的浪潮 第一次让业主认识到车位引 导的价值 车位引导系统销售终于迎来井喷 全面创新时期 随着城市停车管理需求步伐的加快 城市为解决停车难问题而大量 兴建地下车库 商业地产的停车场规模空前 数千个车位在缓解了停车难问题的同时带 来了新的麻烦 找车难 当 找车难 状况加剧 成为与 停车难 并肩的城市交通难题 山东建筑大学毕业设计说明书 2 时 专为解决这一问题的视频寻车系统的诞生 标志着新一代停车场管理系统的日趋成 熟完善 向智能化 现代化 专业化的方向迈进 调研人员发现 车主在返回停车场 时时往往由于地下车库空间大 环境及标志物类似而导致的方向不易辨别等原因 容易 在停车场内迷失 存在耗时长久而难以找到自己车辆的情况 地下车库找车机系统的出 现不仅保有车位引导系统引导车辆 疏通道路的作用 更重要的是其通过视频图像处理 技术 能够自动抓拍车牌号存储在服务器中 使得车主返回寻车时只需在寻车查询终端 中输入车牌号 系统就能显示车主及车辆所处的位置 给出到达车位的最优路线 帮助 其尽快寻回爱车 在使用更为先进的收费介质的同时 地下车库管理系统的另一技术发展方向是智能 化管理 以智能化设备取代人的劳动 实现停车场车辆出入 场内监控以及收费所有过 程的完全无人化 是地下车库管理系统智能化的最终目标 1 2 国内外发展现状 1 2 1 地下车库管理系统发展现状 目前 国外地下车库管理系统经过多年的发展 已基本进入智能无人化收费的阶段 其使用的收费介质已由传统接触读写类型收费介质转变为非接触类型的新型收费介质 国外地下车库收费系统一般采用高度智能化的专用设备 可以实现收费系统的无人化操 作 设备制作工艺精良 系统稳定性和产品技术水平达到较高水平 地下车库管理系统的一个显著特点是停车交易支付手段的电子化程度非常高 基本 上不存在现金交易的现象 许多国外管理系统配备停车车位引导系统 地下车位查询系 统等智能化设备 使地下车库管理系统的功能更加丰富 一些国外停车设备厂商正在研究能够实现 网络化存车 的地下车库管理系统 这种 收费系统依靠 INTERNET 网络连接 能够实现在一个相对广阔的地域内 例如一座城 市甚至一个国家 的多个地下车库随意停车 管理系统会统一调度车位资源 统一进行 交易结算 停车用户在家中通过国网络就可以预定停车车位 交纳停车费用 查询出行 目地的各类停车信息 这种新型地下车库管理方式适应了 INTERNET 网络在人们日常 生活中越来越重要的现状 使地下车库管理系统的作用范围和功能得到了极大的扩展和 延伸 国内地下车库管理系统是伴随着国内公用地下车库的大量出现而出现的 最初国内 地下车库管理系统是引进和消化吸收国外同类系统的基础上研发成功的 由于有许多关 山东建筑大学毕业设计说明书 3 键设备国内没有生产 系统采用了较多的国外产品 因此这一阶段的国内地下车库管理 系统带有较多 集成 的意味 1 近年来随着国内停车产业的壮大 国内地下车库管理系统厂商的技术实力得到迅速 增强 国内地下车库管理系统也由单纯的引进和仿制转向真正意义上的技术研发阶段 一些国际先进的地下车库管理技术和理念都可以在新型管理系统中得到迅速应用 许多 停车系统关键设备已经可以在国内研发制造 许多厂家推出的管理系统在技术上能够紧 跟国际先进技术潮流 体现出较强的生产研发水平 应该看到 国内地下车库管理系统的核心技术和设备水平与国外同类系统仍存在一 定的差距 地下车库管理系统使用的一些核心技术如远距离读卡技术等仍是国外厂商的 技术专利 如何提高地下车库管理系统核心技术研发水平 如何提高停车管理系统设备 制造水平 是目前国内地下车库管理系统厂商普遍面临的两个问题 国内停车管理系统 目前正面临着老式管理系统向新型管理系统升级换代的高峰期 落后的以传统接触读写 收费介质为特征的管理系统正在被逐渐淘汰 而新型的以非接触式 IC 卡 远距离射频 电路电子标识 车牌图像识别技术等非接触类型收费介质为特征的新型停车场管理系统 正处于应用初级阶段 1 2 2 智能网关发展现状 作为地下车库管理系统中的一个非常关键的部分 智能网关的研究一直非常活跃 智能网关主要具备两个主要功能 1 作为所有外部接入网连接到地下车库内部网络 同时将地下车库内部网络连接到外部的一种物理接口 2 对信息家电 照明系统 仪 表设备 安防系统等家庭内部设备自动控制和统一管理平台 智能网关主要经历了三 个发展阶段 早期的 PC 架构的智能网关出现于中国智能地下车库管理系统的萌芽阶段 基本上停留在向使用者展示的概念 实用性不强 属于第一阶段 目前很多国内外地下 车库厂商研制的基于单片机架构的智能车库控制系统在实用性 易用性和专业性方面有 了很大程度上的提高 属于第二阶段 而基于嵌入式系统的地下车库系统在国内才刚刚 出现 随着嵌入式技术更加厂泛的应用 随着成本的逐步降低 中国的地下车库管理系 统最终将走向嵌入式 与 PC 机相比 系统的设计更加有针对性质 省去不必要的硬件 资源 根据需要加入更加合适的硬件资源 能最大限度的利用硬件资源 与单片机构架 的系统相比 系统的处理能力大大增强 性能更加优越 可以外接的功能设备也更多 能提供的功能服务更加齐全 软件开发方面 系统可以根据自身的硬件资源定制相应的 实时操作系统 最大限度的利用硬件资源 嵌入式系统软件多采用分层设计 利于维护 山东建筑大学毕业设计说明书 4 和升级 大大的体统了代码的利用率 缩短了开发周期 因为嵌入式技术是伴随着 Internet 而生的 所以它具有更加卓越的网络性能 可以增加更多的网络应用 1 3 论文的研究内容 智能网关是无线网络传输的核心部分 各个不同协议子网之间的互连和信息共享都 需要通过网关进行 而且网关还负责地下车库系统的 Internet 的接入 网关一般设计嵌 入式设备 采用 TCP IP 技术和高性能微处理器实现 智能网关是能完成 RS232 ZigBee 之间的协议转换 同时具有 Internet 串口等接口 支持各类数据的传 输 用户可通过有线和无线的以太网授权远程浏览和控制地下车库 本论文的主要研究内容包括 1 对现有地下车库系统的分析研究 2 借鉴现有方案的基础上 提出了自己的总体方案 3 构建地下车库系统硬件平台结构 对硬件进行选型 4 以 MSP430F149 为硬件平台完成了中央控制器的设计与实现 5 外围模块方面 实现了 ZigBee 射频模块 以太网接入模块的自主设计和实现 6 通过地下车库子网将各个模块与中央控制器紧密的联系在一起组成了一套完整的 系统 山东建筑大学毕业设计说明书 5 2 系统总体设计及分析 2 1 地下车库系统需要实现的功能 车牌识别技术 License Plate Recognition LPR 以计算机技术 图像处理技术 模糊识别为基础 建立车辆的特征模型 识别车辆特征 如号牌 车型 颜色等 它是 一个以特定目标为对象的专用计算机视觉系统 能从一幅图像中自动提取车牌图像 自 动分割字符 进而对字符进行识别 它运用先进的图像处理 模式识别和人工智能技术 对采集到的图像信息进行处理 能够实时准确地自动识别出车牌的数字 字母及汉字字 符 并直接给出识别结果 使得车辆的电脑化监控和管理成为现实 灯光导航技术是将无线通信技术 计算机视觉技术 神经网络系统技术 机械电子 自动化设备 数据库技术有机的结合起来 控制地下车库的照明系统 达到节电节能的 目的 同时保证对进入车库的权限车辆提供有效的灯光导航服务和管理 包括物联网通 信系统 照明控制系统 信息管理系统 能耗分析系统 车库的照明灯具平时全部处于关闭状态 有车辆到达车库入口 摄像头拍摄车牌图 像 通过车牌号判断是否具有进入权限 道闸自动开启 该车辆入场时间等信息记入数 据库 同时从数据库中提取出该车辆的车位位置 住宅位置信息 根据车库照明系统的 布置情况 规划出该车进入车库后的正确行驶路径 以及驾驶员下车后步行回家的路径 并依次开启相应的灯光作为导航 主控制器通过无线网络发出控制命令 依此打开该路 径上的所有照明灯具 引导车辆沿正确路线行驶 车库中的运动传感器实时判断车辆的 当前位置 车辆驶过之后的路径上的灯具自动熄灭 如果车辆未按规划路径行驶 运动 传感器判断出车辆位置后 也会将车辆附近的照明灯具打开 为车辆行驶提供方便 同 样 车辆驶过之后 关闭这些灯具 2 另外 根据运动控制器的信息 可获取车辆的实际停泊位置 车辆驶离车位时 系 统根据运动控制器的信息可获得驶离车辆信息 启动灯光导航系统 依此打开相应灯光 引导车辆正确到达出口 当人或车辆在车库内随机即运动时时 被触发的运动传感器通知相应智能灯光控制 节点打开相应的灯光 随触发随打开 随离开随关闭 从而达到灯随人行的效果 光明 在前头 同时 运动传感器信息被上传至系统 此信息可引导视频监控切至相应的摄像 头 实现视频联动的功能 从而达到安全监控的效果 本系统还可以实现一个扩展功能 车位实施管理 车辆通过车牌号判断进入车库时 山东建筑大学毕业设计说明书 6 系统从数据库中提取出该车辆的车位位置 并解除该车为车位锁 电动升降柱 使车 辆顺利停泊到自己车位上 车辆驶离时 系统获取驶离车辆信息 开启该车位锁 关闭 该车位 这样就有效实现了车位专位专属的管理模式 保证业主的权益 3 2 2 地下车库系统的总体设计方案 本文设计的地下车库及智能网关系统由控制中心 数据库 路由器 多功能网关 协调器以及节点设备组成 从信息流的方向分 从上往下 用户通过控制中心输入控制 查询命令以有线或者无线的方式传输至路由器 路由器再由 TCP IP WLAN LAN 方 式传到多功能网关 或者在多功能网关直接输入命令 多功能网关通过无线 ZigBee 技 术把命令传输至协调器 协调器同样以无线 ZigBee 技术转发给相应的终端设备 并执 行命令 从下往上 节点设备通过传感器获得温度 湿度 光照强度等一个或者多个环 境参数 据此直接控制相关受控设备或将信息上传至协调器 协调器再通过无线 ZigBee 技术把数据传输至多功能网关 由用户决定如何处理这些信息 4 5 地下车库 控制系统整体架构如图 2 1 所示 路由器网关 照明 灯具 ZigBee 温度传 感器 湿度传 感器 ZigBee ZigBee TCP IP WLAN LAN 数据库 控制中心 LAN 协调器 LAN ZigBee 图 2 1 地下车库控制系统整体架构 在这一方案中 嵌入式处理器和 ZigBee 组网技术的使用可以说完全打破了传统地 下车库的一些不足和局限性 嵌入式设备不仅功耗低 体积小 成本低 而且稳定性 实时性好 同时也可以方便地接入 Internet 完全摆脱了对 PC 的依赖 而同样低成本 低功耗的 ZigBee 技术 不仅组建网络方便快捷 免除了布线的麻烦 更为地下车库内 部的各种节点设备制定了统一的标准 十分适合组建无线地下车库网络 他们的使用 方便了用户对整个系统的管理 也便于用户今后对系统进行维护和升级 山东建筑大学毕业设计说明书 7 2 3 地下车库网关平台硬件结构 本系统总体硬件结构如图 2 2 所示 主要包括中央处理器 网络模块 通信模块 扩展接口几个部分 6 控制核心MSP430F149 ZigBee收 发模块 以太网模块 CS8900A RS232通 信接口 时钟电路 复位电路 电源电路 JTAG调试 接口 LAN 图 2 2 地下车库网关平台硬件结构 2 4 智能网关的硬件选型 嵌入式智能网关是整个系统的核心部分 在系统中发挥着至关重要的作用 而嵌 入式处理器则是网关的核心部件 其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果 为了让 网关实现系统所需要的全部功能 并且最大程度的提高整个系统的效率 选择一款成本 低且合理实用的嵌入式处理器是十分必要的 而对于大量的低档的嵌入式系统 利用 16 位甚至 8 位单片机用软件实现嵌入式 TCP IP 协议 再通过网络芯片接入 Internet 网 络具有更大的意义 本设计系统采用 MSP430 系列 2 4 1 MSP430F149 处理器 MSP430 系列单片机是美国 TI 公司开发的 16 位单片机 其突出优点是低电源 1 8 3 6v 超低功耗 有多个系列和型号 该系列单片机具有 FLASH 型存储器 在系统设计开 发调试以及实际应用中都表现出较明显的优点 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设 它们分别是看门狗 WDT 模拟比较器 A 定时器 A0 Timer A0 定时器 A1 Timer A1 定时器 B0 Timer B0 UART SPI I2C 硬件乘法器 液晶驱动器 10 位 12 位 ADC 16 山东建筑大学毕业设计说明书 8 位 ADC DMA I O 端口 基本定时器 Basic Timer 实时时钟 RTC 和 USB 控制器等若干外围模块的不同组合 其中 看门狗可以使程序失控时迅速复位 模拟比 较器进行模拟电压的比较 配合定时器 可设计出 A D 转换器 16 位定时器 Timer A0 和 Timer A1 具有捕获 比较功能 大量的捕获 比较寄存器 可用于事件 计数 时序发生 PWM 等 有的器件更具有可实现异步 同步及多址访问串行通信接 口 可方便的实现多机通信等应用 具有较多的 I O 端口 P0 P1 P2 端口能够接收 外部上升沿或下降沿的中断输入 10 12 位硬件 A D 转换器有较高的转换速率 最高 可达 200Kbps 能够满足大多数数据采集应用 能直接驱动液晶多达 160 段 实现两 路的 12 位 D A 转换 硬件 I2C 串行总线接口实现存储器串行扩展 以及为了增加数 据传输速度 而采用的 DMA 模块 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片 解决方案提供了极大的方便 另外 MSP430 系列单片机的中断源较多 并且可以任意 嵌套 使用时灵活方便 当系统处于省电的低功耗状态时 中断唤醒只需 5us MSP430F149 具有 60KB 256B Flash Memory 能够存储 ZigBee 协议栈和精简的 TCP IP 协议栈 它提供两个双工串口 UARTO 和 UART1 可实现与 PC 机的连接调试 等 提供两个 SPI 口与 CC25300 进行通信 并且提供了足够的外围接口用于与以太网 的接入控制 JTAG 接口方便程序的下载与调试以及除正常工作模式之外的空闲 休眠模 式 很适合在无线传感器网络中应用 7 MSP430F149 的具体功能与特性如下 1 8V 3 6V 超宽供电电压 5 种低功耗模式 从 standby 模式唤醒时间小于 6us 0 1uA RAM 保持 0 8uA 实时时钟模式 2K RAM 60KB 256B Flash Memory 支持 IAP 片内硬件乘法器支持四种乘法运算 两个具有 PWM 输出单元的 16 Bit 定时器 TimerA3 TimerB7 两个 UART 接口 两个 SPI 接口 与 UART 复用 一个 8 通道 12 Bit 模数转换器 ADC 具有片内参考电压源 一个模拟比较器 看门狗电路等 2 4 2 电源芯片选型 系统中处理器需用到 3 3v 和 5v 稳定直流电压 综合考虑 选择 LM1117 3 3 分别 山东建筑大学毕业设计说明书 9 来生成 5V 和 3 3V 电压 LM1117 有两个版本 固定输出版本和可调版本 固定输出电压为 1 5V 1 8V 2 5V 2 85V 3 0V 3 3v 5V 具有 1 的精度 2 4 3 以太网模块选型 以太网控制器的核心选择 CS8900A 芯片 这是由 Cirrus Logic 公司生产的一款单芯 片 全双工高集成的芯片 它完全符合 IEEE802 3 以太网 10Mbps 标准 100 脚 TQFP 封装 其主要特点有 单芯片的 IEEE802 3 以太网控制器 带有直接的 ISA Bus 接口 高效的 PacketPage 结构 可以操作在 I O Memory 以及 DMA 模式 芯片内部带有接收和发送帧的缓冲区 1OBASE T 端口带有模拟滤波器 提供自动极性监测和校正 可编程的接收特点 自动冲突冲发 自动补充和生成 CRC 可编程的发送特点 在 DMA 和芯片内部存储器之间自动切换 帧预处理的中断 自动 拒绝不正确的数据包 如图 2 3 所示是 CS8900A 的内部功能框图 主要的集成块有 ISA Bus 接口 802 3MAC 引擎 集成的 Buffer 存储器 串行 EEPROM 接口 完全模拟的前端 10BASE T AUI 接口 ISA ISA总线接口 EEROM 控制器 存储器 管理 RAM 802 3 MAC 控制器 LED 控制器 编码 解码 器 边界扫描 检测逻辑 电源管 理 10BASE T 发送器 AUI发送 器 AUI冲突 AUI接收 时钟 10BASE T 接收器 图 2 3 CS8900A 内部组成结构框图 2 4 4 通信模块选型 2 4 1 1 热门 WPAN 简介 1 蓝牙 山东建筑大学毕业设计说明书 10 蓝牙 Bluetooth 起源于 20 世纪 90 年代爱立信公司对一种新的低功耗 低成本 的空中接口研究 目前最流行的是 2004 年推出的 Bluetooth 2 0 EDR 标准 速度为 1 8 2 1 Mbit s 它是一种短距离无线通信技术的全球性开放式技术规范 支持语言传 输 工作频段为 2 4 GHz ISM 开放频段 整个带宽被分为 79 个物理信道 每个信 道的带宽为 1 MHz 并采用 GFSK 调制 出于阻碍同频干扰和多路效应以及在不同的 微微网中提供多种接入形式 蓝牙还采用了跳频 Frequency Hopping FH 技术 蓝牙普遍应用于各种耳机 键盘和移动设备 它具有很高的安全性 芯片的价格也 相对比较便宜 但由于采用了跳频技术 电池寿命没有 ZigBee 设备长 一般来说 蓝 牙设备的电池寿命为几天 而 ZigBee 设备则为几个月甚至几年 此外 蓝牙最多支持 7 个节点设备 而 ZigBee 理论上能支持 65000 个 2 Wi Fi Wi Fi Wireless Fidelity 无线保真 是 无线以太网相容联盟 Wireless Ethernet Compatibility Alliance WECA 发布的业界术语 它一开始指的是 802 11b 现 已经成了 IEEE 802 11 无线网络标准的代名词 Wi Fi 工作在 2 4 GHz 频段 采用 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 直序扩频 其标准传输速率为 11 Mb s 当 信号质量不能支持这个速度时 可动态地调整为 5 5 Mb s 如果还不能维持当前的传输 速率 可再次降低至 2 Mb s 甚至 1 Mbps 以下 传输速率的自动调整 使得在信号较 弱或者有干扰的情况下提高了网络的稳定性和可靠性 Wi Fi 也开始应用于传感器网络 和控制领域 它是一种通用 易懂的无线局域网接入技术 之前主要致力于个人 PC 机和笔记本 其成本也比 ZigBee 设备高了很多 它需要更大的 CPU 来运行整个协议 栈 Wi Fi 也能和 ZigBee 一样组成网状网络 但是还没有可用于交互的标准 由于其 高传输速率和复杂度 Wi Fi 不太适合于采用电池供电 它能在几小时内耗尽电池的能 源储备 而 ZigBee 设备能用数月甚至几年 但并不是所有的控制网络都要求使用电池 供电 3 超宽带技术 UWB UWB 采用冲激无线电 IR Impulse Radio 也称作脉冲无线电 Pulse Radio 它是以占空比很低的窄脉冲而不是以正弦波作为信息载体的无线电技术 工作频段为 3GHz UWB 无线通信具有隐蔽性强 高处理增益 多径分辨能力 高传输速率 空 间容量大 穿透能力强等特点 纳秒级的窄脉冲 使得超宽带技术用于定位时可达厘米 级的定位精度 很容易将测距 定位和通信合一 而常规无线通信很难做到这一点 山东建筑大学毕业设计说明书 11 UWB 适用于室内外的短距离无线高速传输 速度可达 1 Gbps 如无线局域网 高速无线 LAN 无绳电话 短距离雷达等领域 由于其实现的复杂度 在成本方面相 对来说比 ZigBee 设备高 但传输速度比 ZigBee 设备高了很多 如果都应用于地下车 库领域 UWB 更适合于多媒体 定位跟踪等 从而在某种程度形成互补 不会发生较 大的冲突 4 ZigBee 技术 ZigBee 是一个标准 它为低数据速率 窄带无线网络定义了一系列通信协议 基 于 ZigBee 的无线设备工作在 2 4 GHz 频段 最大的通信速率是 250 Kbps ZigBee 主要面向那些低传输速率 低成本 低功耗的用电池供电的应用 在很多的 ZigBee 应 用中 无线设备处于任何一种活跃状态的总时间是非常有限的 设备在多数时间处于省 电模式 或者称之为睡眠模式 因此 采用 ZigBee 方案的无线设备能够运行几个月甚 至数年而不用换电池 8 表 2 1 几种无线通信技术的比较 ZigBee 蓝牙 Wi FiUWB 频段 2 4 GHz2 4 GHz2 4 GHz 3 1 10 GHz 调制技术BPSK O OPSK GFSKQPSK CCK 最大数据传输 速率 250 Kbps 1 3 Mbps 111Mbps1 Gbps 安全性高高高高 可靠性高高一般高 功耗低中等高低 复杂度简单复杂非常复杂复杂 网络节点数 6500085010 有效通信距离10 100 m2 10 m30 100 m0 10 m 通过表 2 1 可以看出 ZigBee 无线通信技术跟蓝牙 Wi Fi 一样工作在 ISM 免费 频段 算法复杂度较低 意味着容易实现 代码所占的空间小 这在一定程度上降低了 专用芯片的成本和自身的功耗 较高的可靠性和安全性保证了 ZigBee 无线通信的质量 以及通信的保密性 100 米左右的有效通信距离保证了视距范围内的正常通信 与其他 无线技术相比 ZigBee 的最大特点是网络容量大 理论上可达 65000 个 较低的数据 传输率 但面对于一天开关 10 次左右的电器设备来说已经足以 所有这些特性使得 ZigBee 技术非常适合于地下车库 楼宇自动化 医疗看护等领域 9 10 山东建筑大学毕业设计说明书 12 2 4 4 2 ZigBee 技术的概念及由来 ZigBee 技术是一种新兴的近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无 线网络技术 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案 它依据 IEEE802 15 4 标准 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 这些传感器只 需要很少的能量 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器 所以它们的通信效率非常高 说起 ZigBee 技术名称的由来还是比较有趣的 据说是来 自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察 蜜蜂在采蜜的过程中经常会跳着优美的舞蹈 排成规 则的 Zig Zig 的形状 以此来实现彼此间信息的交互 以便获取共享食物源的方向 距 离和位置等信息 因为蜜蜂自身体积小 所需要的能量少 又能传送所采集的花粉 因 此人们从中得到启发 用 ZigBee 技术来代表具有成本低 体积小 能量消耗少和传输 速率低的无线通信技术 中文译名通常被称为 智蜂 或 紫峰 2 4 4 3 ZigBee 技术的特点 作为一种新兴的无线通信技术 ZigBee 技术之所以能够得到快速的发展和推广 在于它本身的许多技术特点相对于其他的无线传输技术而言具有很大的优势 ZigBee 的技术特点主要包括以下内容 1 功耗低 由于工作时间较短 收发信息功耗较低且采用了休眠模式 使得 ZigBee 节点非常省电 工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右 2 数据传输可靠 ZigBee 的媒体接入控制层 MAC 层 采用 talk when ready 的碰 撞避免机制 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 避免了发送数据时的竞 争和冲突 3 网络容量大 一个 ZigBee 的网络最多包括有 255 个网络节点 其中一个是主控 Master 设备 其余则是从属 Slave 设备 若是通过网络协调器 Network Coordinator 整个网络最多可以支持超过 64000 个 ZigBee 网络节点 再加上各个 Network Coordinator 可互相连接 整个 ZigBee 网络节点的数目将十分可观 4 时延短 通信时延和从休眠状态恢复到正常工作状态的时延都做了相应的优化 时延比较短 5 兼容性 ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成 通过网络协调器 Coordinator 自动建立网络 采用载波侦听 冲突检测 CSMA CA 方式进行信道接入 为了可靠传递 还提供全握手协议 6 安全性 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能 在数据传输中提供了三级 山东建筑大学毕业设计说明书 13 安全性 7 实现成本低 模块的初始成本估计在 6 美元左右 很快就能降到 1 5 2 5 美元 且 ZigBee 协议免专利费用 目前低速低功率的 UWB 芯片组的价格至少为 20 美元 而 ZigBee 的价格目标仅为几美分 8 ZigBee 网络的自组织和自愈功能强 无需人工干预 网络节点能够感知其他节 点的存在 并确定连接关系 组成结构化的网络 而且当网络内节点产生故障或节点位 置发生变动时 网络都能够自我修复 并对网络拓扑结构进行相应地调整 能保证整个 系统的正常工作 11 2 4 4 4 ZigBee 网络的拓扑结构 与一般网络的拓扑结构类似 ZigBee 网络的拓扑结构一般有三种形式 星形拓扑 树形拓扑 网状拓扑 1 星形拓扑 这是最简单的一种拓扑形式 在这种拓扑结构中主要包含一个 Coordinator 节点和 一系列的 End Device 节点 如图 2 4 所示 Coordinator 是任意两个 End Device 通信的 中转站 也就是说 End Device 可以自如的与 Coordinator 进行通信 如果想与其他的 End Device 节点进行通信的话就必须先通过 Coordinator 节点进行信息的转发 不难发 现 万一网络中的 Coordinator 发生了故障 整个网络就会陷入瘫痪的状态 协调器 FFD 网络终端设备 RFD 图 2 4 星形拓扑结构 2 树形拓扑 树形拓扑包括一个 Coordinator 以及一系列的 Router 和 End Device 节点 如图 2 5 所示 Coordinator 既可以与 Rout 相连又可以与 End Device 相连 而它的 Router 子节点 又可以连接一系列的 Router 和 End Device 节点 这样就形成了一个层次清晰的通信网 络 山东建筑大学毕业设计说明书 14 路由器 网络终端设备 RFD 协调器 FFD 图 2 5 树形拓扑结构 在这种拓扑结构中 有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点 而有同一个祖父节 点的节点之间称为堂兄弟节点 每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间进行通信 如果需要从一个节点向另一个节点发送数据 那么信息将沿着树的路径向上传递到最近 的祖先节点然后再向下传递到目标节点 同星形拓扑结构一样 信息具有唯一路由通 道 中间有一个路由节点发生故障 就会造成局部或大面积的系统阻塞 3 网状拓扑 同树形拓扑一样 网状拓扑结构也是由一个 Coordinator 以及一系列的 Router 和 End Device 节点组成 如图 2 6 所示 但是与树形拓扑相比 网状拓扑具有更加灵活的 信息路由规则 在可能的情况下 路由节点之间可以直接的通讯 这种路由机制使得信 息的通讯变得更有效率 而且即使网络中有某个节点出现了故障 信息也可以自动的沿 着其他的路由路径进行传输 提高了信息传输的可靠性 路由器 网络终端设备 RFD 协调器 FFD 图 2 6 网状拓扑结构 山东建筑大学毕业设计说明书 15 很明显 在本系统中我们只需要用到最简单的星形拓扑结构 以网关为中心 向外 发射连接到各个信息收发点即可 12 2 4 4 5 ZigBee 技术方案的选择 目前 ZigBee 技术提供方式主要有三种 1 ZigBee 兼容 RF 芯片 MCU 例如 TI 的 CC2520 MSP430 FREESCLAE 的 MCl3XX GT60 MICROCHIP 的 MJ2440 PIC MCU 2 单芯片集成 SOC 如 TI 的 CC2530 CC2450 805l 内核 FREESCALEMCl321X EM250 3 单芯片内置 ZigBee 协议栈 外围芯片 如 JENNICSOC EEPROM EMBER260 MCUt231 目前市场上 ZigBee 芯片提供商主要有五家 TI CHIPCON EMBER ST JENNIC 捷力 FREESCALE MICROCHIP 除了 TI 的 CC2530 系列采用标准 8051 处理器外 其他四家公司都采用自己的微处理器为核心 本文选择了 TI 公司最新推出 的 CC2530F256 作为本设计的主芯片 它拥有丰富外接端口 包括 21 个 I O 口 1 个 调试接口 2 个 UART 口 可在多种模式下运行 且切换时间很短 可满足不同环境 下各种系统的低功耗需求 内嵌高级加密协议 AES 模块 大大提高了无线通信的安 全性 拥有德州仪器的 ZigBee 协议栈 Z Stack 黄金单元 能让 ZigBee 无线网络 解决方案更加完整和稳定 只要极少数的外围元器件就能完成一个典型的应用设计 由 此降低了整个无线网络的成本 13 2 4 4 6 TICC2530 介绍 CC2530 是 TI 公司推出的一款 ZigBee 专用芯片 它的内存有 256k 片内不仅集成 了高性能射频收发器 还集成了 8051 微控制器 将控制与通信技术结合在一起 为应 用 ZigBee 的工程师提供了一个片上系统解决方案 CC2530 实施了 IEEE 802 15 4 标准 因此它是一款通用性极强的芯片 可适用于包括消费类电子与远程控制 楼宇自动化 照明 工业控制与监控 保健与医疗在内的许多市场 CC2530 芯片的时钟源有四个 分别为 32MHz 晶体振荡器 32 768kHz 晶体振荡器 32kHz 的片上 RC 振荡器以及 16MHz 的片上 RC 振荡器 当 CC2530 处于正常工作状态 时 时钟源可以选择为 32MHz 晶体振荡器或者 16MHz 的片上 RC 振荡器 当 CC2530 处于休眠状态时 时钟源可以选择为 32 768kHz 晶体振荡器或者 32kHz 的片上 RC 振荡 器 CC2530 内部的 8051 处理器有 18 个中断源 4 个中断优先级 18 个中断源分为 6 组 8051 具有 8kB 的 SRAM 功耗超低 同时 8051 内部的闪存块容量可以达 256kB 山东建筑大学毕业设计说明书 16 该闪存不仅可以保留用户的程序代码和常量 甚至可以保留程序需要的一些数据 使得 下一次重新运行程序时可以直接调用这些数据 片内 ADC 支持 7 到 12 位分辨率 带 有温度传感输入通道 片内的随机数发生器和 AES 加密 解密内核用于 ZigBee 系统的 安全应用 片内 USARTO 和 USART1 可配置为高速同步串行口 SPI 的主机或从机模式 也可以配置为通用异步收发器 UART CC2530 管脚如图 2 7 所示 图 2 7 CC2530 管脚图 其中 AVDDl 至 AVDD6 引脚为模拟电源引脚 DCOMPL DVDD1 DVDD2 引 脚为数字电源引脚 GND 为接地引脚 RBIAS 接用于内部偏置的电阻 RESET N 是 复位引脚 当输入低电平时 芯片产生复位 RF N RF P 为射频工作电路引脚 XOSC Q1 X0SC Q2 为 32MHz 晶振电路输入引脚 其它引脚为芯片的数字 I O 引脚 其中 P2 3 P2 4 也用于连接可选晶振电路 CC2530 具有一个与 IEEE 802 15 4 兼容的无线收发器 这是它的特色 利用 RF 内 核控制无线模拟电路 芯片内部具有微控制器与无线模块的接口 这样就可以通过微控 山东建筑大学毕业设计说明书 17 制器完成发出通信命令 读取通信状态 为无线事件排序等功能 2 4 5 串口模块选型 为方便以后系统的软件升级以及跟家用电脑连接通信 设计了 RS232 串口电路 在实际的异步串行通信中 并不要求全部使用到 RS232 信号 为了完成基本的数据收 发需要用的 3 个引脚 发送端 TXD 接收端 RXD 地 GND MSP430 的 I 0 为 TTL 电 平 而 PC 上使用的是 RS232 电平 为了能使用 MSP430 的 UART 与 PC 连接进行通信 和调试 需要将 MSP430F149 的串口通过 RS232 电平转换芯片 MAX3232 转换成 RS232 电平后连接到外部 DB9 接口 而更是大量使用 9 针接插件 DB9 14 MAX3232 引脚及简单内部原理如图 2 8 所示 图 2 8 MAX3232 内部原理图 山东建筑大学毕业设计说明书 18 3 硬件电路设计与实现 3 1 控制系统的连接 我们选用的是 MSP430F149 芯片 根据各系统间联系连接硬件电路图如图 3 1 所示 VCC 12 Y1 32 768KHz 12 Y2 8MHz 20pF C43 20pF C3 RST RST TCK TCK TMS TMS TDI TDI TDO TDO VCC 3 3 S1 RESET VCC 3 3 RXD1 TXD1 RXD0 TXD0 SD0 SD1 SD2 SD3 SD4 SD6 SD7 SD5 SA1 SA2 SA3 IOR IOW SA0 DVCC 1 P6 3 A3 2 P6 4 A4 3 P6 5 A5 4 P6 6 A6 5 P6 7 A7 6 VREF 7 XIN 8 XOUT 9 VeREF 10 VREF VeREF 11 P1 0 TACLK 12 P1 1 TA0 13 P1 2 TA1 14 P1 3 TA2 15 P1 4 SMCLK 16 P1 5 TA0 17 P1 6 TA1 18 P1 7 TA2 19 P2 0 ACLK 20 P2 1 TAINCLK 21 P2 2 CAOUT TA0 22 P2 3 CA0 TA1 23 P2 4 CA1 TA2 24 P2 5 Rosc 25 P2 6 ADC12CLK 26 P2 7 TA0 27 P3 0 STE0 28 P3 1 SIMO0 29 P3 2 SOMI0 30 P3 3 UCLK0 31 P3 4 UTXD0 32 P3 5 URXD0 33 P3 6 UTXD1 34 P3 7 URXD1 35 P4 0 TB0 36 P4 1 TB1 37 P4 2 TB2 38 P4 3 TB3 39 P4 4 TB4 40 P4 5 TB5 41 P4 6 TB6 42 P4 7 TBCLK 43 P5 0 STE1 44 P5 1 SIMO1 45 P5 2 SOMI1 46 P5 3 U