本科毕业论文-基于ZigBee的数据采集系统的设计(DOC).doc

西安航空学院本科毕业设计（论文）西安航空学院本科毕业设计（论文） 题 目： 基于ZigBee数据采集系统的设计 学 院： 电子工程学院专 业： 测控技术与仪器学 号： *学生姓名： *指导教师： *2016年 5月 25日摘 要近年来科技水平不断提高，各行各业也对获取数据的便捷性、准确性、廉价性提出来越来越高的要求。无论工业现场还是在家庭，温湿度都是一个非常重要的因素。然而在某些高腐蚀的环境下通过布设电缆，进行采集是不易的。实现无线数据采集的无线化、智能化是最理想的解决方案。ZigBee作为一种最新推出的无线通信技术，已经在工业自动化、智能医疗、消费电子产品方面得到了普遍的应用。本文是在ZigBee技术做了深入的研究下，完成了基于ZigBee的温湿度数据采集系统的设计。本文主要利用CC2530芯片作为整个系统的核心，采用IEEE 802.15.4协议作为整个网络的通信协议。前端高精度的DHT11温湿度传感器把检测数据通过终端节点，发送到另一个作为整个无线网络协调器的ZigBee模块，并用电平出发的LCD12864显示模块进行显示。本文中搭建的微型无线数据采集网络，实现了温度和湿度数据的实时采集。本设计提出的无线数据采集的方式，为现场数据监测的无线化设计和实际应用问题的解决，提供了思路。关键字：无线数据采集系统；温湿度；ZigBee；CC2530；DHT11 AbstractIn recent years, science and technology has improved continuously, businesses also easy access to data, accuracy, cheapness raised higher and higher requirements. Whether at home or industrial field, temperature and humidity is a very important factor. However, in some highly corrosive environment by running cables, acquisition is not easy. Wireless data acquisition wireless, intelligence is the ideal solution. As a latest ZigBee wireless communication technology has been widely used in industrial automation, intelligent medical, consumer electronics products.This article is in ZigBee technology to do the next in-depth study, completed the ZigBee-based temperature and humidity data acquisition system design. In this paper, the use of CC2530 chip as the core of the system, using the IEEE 802.15.4 protocol as the communication protocol of the entire network. DHT11 tip precision temperature and humidity sensors to detect data through the terminal node, sent to another as the entire wireless network coordinator ZigBee module, and power level starting LCD12864 display module for display.Paper completed the build miniature wireless data acquisition system to achieve real-time transmission of temperature and humidity data. This design can be seen from the wireless network for field data acquisition parameters and application programs designed to detect wireless devices provide a new solution.Keywords: Wireless data acquisition system；Temperature and humidity；ZigBee；CC2530；DHT11 目 录第一章 绪论11.1 课题背景11.2 ZigBee技术简介21.3 国内外研究现状31.4 基于ZigBee的数据采集系统的意义41.5 论文主要内容与组织结构5第二章 系统总体方案设计62.1 系统的设计原则62.2 系统硬件组成62.3 系统关键技术介绍72.3.1 ZigBee协议体系72.3.2 ZigBee网络结构92.4 ZigBee无线芯片的选取12第三章 硬件电路的设计133.1 总体设计方案133.2 C2530无线单片机介绍133.2.1 CC2530芯片的硬件组成143.2.2 CC2530芯片的主要特征153.3 CC2530基本电路173.4 CC2530外围节点电路183.4.1 数据采集电路183.4.2 串口转USB电路203.4.3 电源电路203.4.4 显示电路213.4.5 键盘电路模块233.4.6 天线.23第四章 软件设计.244.1 IAR开发平台的介绍.244.2 传感器模块的软件设计.254.3 协调器的软件设计.264.4 IAR开发平台程序烧录264.4.1 创建一个新工程264.4.2 工程参数设置274.4.3 添加项目代码28第五章 总结与展望305.1 设计总结.30 5.1.1 基本功能实现 . .30 5.1.2 无线数据采集的测试 . 315.2 前景展望.32参考文献33致谢.34附录 39II第一章 绪论1.1 课题背景数据采集技术与信号处理技术、传感器技术、计算机技术共同构成了现代检测技术的基础1。数据采集技术是通过前端采集器件收集温湿度、压力、PH值等参数，并以其他方式显示的技术2。数据采集技术是为了方便工程技术人员对设备的操作，从而降低生产成本，提高产品质量。也就是说，是利用传感器、微控制器、信号以及其他技术的数据采集系统，是将获取的温湿度、压力、PH值等现场参数，通过A/D转换电路，将模拟量转换为数字量，利用微处理器进行运算，并将输出显示的技术。将得到的结果进行显示，以方便操作人员使用，从而使产品质量提高，使生产成本降低。至于数据的采集方法而言，传统的数据采集为电缆采集，它存在一些缺点，比如在高腐蚀环境下，布线复杂、操作不方便。电子技术、信号处理技术、无线通信网络技术的发展，为数据采集方式无线化提供了技术保障。无线数据采集是通过无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）进行数据采集的技术。WSN是节点之间以自动组网的方式，建立无线传感网络，网络中作为协调器的节点接收和存储从各个终端节点发送出的节点所处现场的物理参数，并以无线电的方式给用户传输数据的技术。所以，无线采集方式是对传统的有线采集方式的有效替代，克服了传统数据采集方式的劣势。科技水平的提高，电子产品不但可靠性逐渐提高，而且成本越来越低。可靠性不断提高的电子产品，使WSN系统可以获得超越以前的网络传输速率，和前所未有的安全性。WSN的特点都超越了本来有线传感器系统引以为豪的好技术指标，而且无线数据采集还解决了有线网络布线困难的致命缺点。无线传感器网络可以使得线路维修困难的问题可以解决，提高了无线数据采集系统的环境适应性。为了满足人们对无线采集技术的要求，ZigBee技术种应运而生，完善了生态版图。它可以以嵌入设备的形式，广泛应用于各个领域的自动化控制方面。作为短距离无线通信技术，ZigBee以其低功耗、低复杂度、操作简单等独特的优势得到了人们的青睐。ZigBee低功耗的特点的优势，在工业现场需要长期检测、不便改变节点位置的位置得到凸显。主协调器ZigBee节点通过自组网的形式与周围的终端节点组成网络，互联共享数据。ZigBee节点可以自动加入和离开网络，加入网络时可以自动搜索与之匹配的协调器节点。ZigBee已经以其无与伦比的优势成为了无线通信的首选协议。本设计将传感器技术和ZigBee技术相结合，力图通过数据采集的无线化解决由于现场布线困难、一次性采集成本昂贵等因素导致不便对现场数据采集的问题。1.2 ZigBee技术简介“ZigBee”一词来自蜜蜂。当蜜蜂发现食物时，会以跳ZigZig型舞的方式，通过翅膀的震动来向同伴告知所发现的花粉源的具体信息，比如花粉源的方位、距离、花粉多少等信息，以方便与同伴分享食物。通过观察蜜蜂这种觅食的方式，人们想到无线通信问题的解决方法。为了纪念蜜蜂给人们带来的思路，早期将这种技术命名为“紫蜂”。随着时代的发展，人们也把这种新型短程无线通信技术，命名为“ZigBee”。ZigBee早期也曾被称过“HomeRF Life”、“RF-EasyLink”或者“FireFly”无线通信技术，目前统一称之为“ZigBee技术”。ZigBee的核心是和微控制器，他们都被半导体芯片上，封装如的里。使用ZigBee技术所实现的产品，一般采用较为廉价的8位微控制器，将无线射频发射模块集成在一块芯片上，外围接上几个电阻、电容和晶振等元器件，再接一些A/D、D/A、I/O接口及一些控制电路，这就组成了各种智能控制节点、无线网络传感器节点等的核心模块。在硬件电路的基础上还要加上必要的程序设计，这样才能构成完整的控制模块。ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4协议的开放的无线个人局域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）标准。IEEE 802.15.4协议标准定义了网络的基础层，比如物理层（Physical Layer，PHY）和媒体接入控制层（Media Access Control Layer，MAC），而ZigBee则定义了更高的网络协议层，比如说网络层（Network Layer，NWK）、应用层（Application Layer，APL）等。ZigBee课工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）、915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有250kbps、20kbps和40kbps的传输速率，ZigBee这三个频段的特点如图1.1所示。ZigBee技术主要用于近距离传输，传输距离在1075m内，如果需要增加距离，则需要增加发射频率。从ZigBee联盟和一些主流的厂商的推广介绍来看，ZigBee技术将在自能家居、智能交通、智能建筑、农业自动化方面得到广泛应用和长足发展。图1.1 ZigBee三频段特点1.3 国内外研究现状世界各国都在建设无线通信网络，人们的生活和网络越来越密切。今后家居联网，“物”联网，使得ZigBee这样的低速的短程无线通信方式得到广泛应用。伴随着ZigBee技术的发展，近年来许多企业还有组织纷纷涉足这个研究领域，前所未有的技术和功能越来越强大的产品络绎不绝的出现。新的产品会促使技术的发展，在这样一个无线通信技术飞速发展的时代，ZigBee肯定会得到长足的发展。2000年12月，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）成立了802.15.4工作组，负责低速无线个域网（LR-WPAN）的物理层和MAC层协议的研究和制定。在2003年年初，802.15.4工作组正式公布了无线通信标准协议IEEE 802.15.4。2002年8月，由英国的英维斯公司、日本的Mitsubishi Electric公司、美国的摩托罗拉公司还有荷兰飞利浦公司等共同发起并成立了ZigBee联盟。以IEEE 802.15.4中的MAC和PHY为基础，ZigBee联盟不仅对ZigBee技术的NWK和更高的网络规范层进行了制定， 而且对进行网络设备的测试和市场的推广工作也进行了规范。这样做是为了实现家里各种由不同厂家生产的产品能够相互兼容，可以达到与同类产品抗衡的水平，以更快的在这一领域开拓市场。ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1.0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议11版本规范，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规范，可以说ZigBee2007 Pro标准是一个真正的网状网络标准。2009年9月，ZigBee联盟宣布RF远程控制新的标准ZigBeeRF4CE规范取代了远程控制领域的红外（Infra-Red，IR）还有射频（Radio Frequency，RF）通信，并且ZigBee技术允许超视距数据传输，这一区别使得消费型电子（Consumer Electronics，CE）的超视距控制距离越来越远，设备的低功耗使得设备使用寿命延长。ZigBee这一特点使得该技术可以广泛的用于各种设备，比如机顶盒、无线点灯等家用设备。2009年4月，ARM和Ember宣布Ember的下一代ZigBee半导体将采用ARMCortex-M3处理器，为快速增长的ZigBee市场设置一个高性能和低功耗的新标准。2009年五月份ZigBee联盟同欧洲智能计量产业集团（European Smart Metering Industry Group，ESMIG）一起为欧盟（European Union，EU）的无线智能化的计量产业技术定义了各种设备之间兼容的通信标准规范。ZigBee技术进入中国国内时，其技术已经发展相对成熟。虽然ZigBee在国内起步较靠后，但是它如雨后春笋的快速发展，新的应用ZigBee技术的产品和新兴企业遍地开花。比如在2007年我国的华立仪表公司就和Ember开启了关于新型的基于ZigBee技术的集中抄表系统的创新项目进行了合作，并且这个项目在过后两年的时候得到了政府科技部门的认可。这个项目就是利用Ember公司所生产的ZigBee芯片还有IEEE 802.15.4标准协议完成了无线数据协调器、无线数据采集终端还有其所用软件的设计，从而组成了这个新型的无线智能抄表系统，实现了远程无线抄表和管理功能。近年来将ZigBee技术与GSM网进行结合，实现无线定位数据采集功能，是今后的一个重要发展方向。由赫立讯科技公司开发的ZigBee无线定位技术，在我们日常的生活中已经得到了应用，比如应用在隧道工程安全领域，可以为工程人员提供更可靠的安全防护，防止事故发生提供了很大帮助。如今，国内多所知名高校和研究机构都开始了对ZigBee技术的研究，成立了相应的科研小组。在当今的中国无论是企业还是科研机构都在对ZigBee技术进行深入研究，使人们的生活更加的智能化，工厂生产的效率更高成本更低。随着对无线通信技术研究的不断深入，相信将来在医疗方面、家居方面、工业控制方面都会得到广泛应用，有更多的国产无线通信产品闯出国门，进入世界市场。1.4 基于ZigBee的数据采集系统的意义 利用ZigBee技术进行数据采集，除了能够实现无线数据采集系统的优点外，还具有以下优点： （1） 低耗能：ZigBee的发射功率为1mW，按照一直保持在工作状态计算，一个ZigBee节点使用一节5号电池可以六个月时间，在休眠状态工作可以工作长达两年时间，这是其他无线设备没有办法超越的。（2） 低成本：由于他们的ZigBee协议时免除专利费的，使得ZigBee模块的基础成本为$ 6左右。（3） 延时短：无论节点在工作状态还是休眠状态，状态时延都是非常短的。休眠和有源器件的时间延迟都仅为15ms3。（4） 网络容量大：一个ZigBee节点充当协调器时组建网络，分配254个地址给终端检测节点。一个区域100个ZigBee网络。（5） 组网方式多样：当网络节点过多时，数据采集节点也可以作为协调器节点起到路由的作用，为子节点分配地址。这种组网方式是柔性的，ZigBee网络可以由节点设备动态的添加而改变，形成多样的拓扑结构。（6） 可靠：碰撞规避策略被采用，和一个专用时隙被保留用于需要被固定带宽的通信服务，并避免数据传输的竞争和冲突。 MAC层采用完全识别的数据传输方式，各派出都必须等待接收方的确认消息的信号。（7） 自配置：ZigBee节点在通过协调器的方式用/冲突检测（CSMA-CA）的方式自动访问信道；加入或在任何时候离开设备节点，这是一种自我配置，自我组织的网络模式。（8） 高安全性：ZigBee利用的是循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）技术3。这种检测方式可以进行数据分组完整性检测，为了提高数据的安全性，使用了AES-128算法，使每个程序都可以安全的运行。克服了传统数据采集方式的缺点，基于低功耗、低速率、比成本、高安全性的无线ZigBee数据采集系统，是今后数据采集系统的发展方向。1.5 论文主要内容与组织结构本课题主要进行了基于ZigBee无线温湿度数据采集系统的设计。主要使用了两块ZigBee模块，一个作为网络协调器接收数据，另外一个作为采集模块进行数据采集。DHT11型数字式温湿度传感器用于数据的前端采集，采用LCD12864显示现场的温湿度。以下是本文各章的内容概述：第一章作为的绪论部分，主要分析了无线数据采集的系统相对于有线的电缆传输的优势，并指出了对于ZigBee技术的国内外研究现状和研究本课题的意义。第二章主要从系统总体设计层面介绍了ZigBee标准协议，从ZigBee的OSI七层网络结构到无线网络的建立。对每个网络功能层功能、组网方式进行了介绍，通过对比完成了系统芯片CC2530的选择。第三章主要是本设计的硬件电路部分，除了CC2530芯片的基本单元电路，还有其他外围电路，如数据采集电路等。并且完成了温湿度传感器选型的问题，确定使用DHT11型传感器。第四章主要为本设计的软件设计，使用开发环境IAR Embedded Workbench对各模块进行调试并编译，达到系统设计要求。第五章是对本设计，无线数据采集系统设计的总结，提出了不足，并提出了改进方案。第二章 系统总体方案设计2.1 系统的设计原则（1） 低功耗：由于环境和设备需长期运行等原因，数据采集节点必须做到低功耗，以保证采集系统能在电池供电的条件下做到正常运行半年以上甚至更长的时间。（2） 高可靠性：工作现场条件恶劣，干扰因素多，以及元器件型号的选择等因素都会导致数据受到来自外部和内部的各种电气干扰。为了得到高精度的数据，必须提高系统的可靠性。（3） 自组织性：如果采集系统终端节点出现故障，导致数据采集网络拓扑结构变化或者数据传输不畅，可能会使整个系统停止工作。因此，需要系统具有自组织性，在节点出现故障时能自动形成新的拓扑结构。2.2 系统硬件组成ZigBee数据采集系统通常情况下都采用点对点的无线通信网络结构。利用两个ZigBee模块，其中一个模块充当整个无线检测网络的网络协调器功能，起着管理控制整个网络和接收由另外一个节点采集数据的结果的功能。这种网络拓扑结构是以一种一对多的方式完成模块之间数据的发送和接收。基于ZigBee的数据采集系统的结构如图2.1所示。图2.1 基于ZigBee的数据采集系统整体结构由上图可知，基于主要包括：、协调器节点、和LCD显示模块。（1） 数据采集终端节点：此模块的主要功能是为了准确获得终端节点温湿度、压力、PH值等现场实际参数。（2） 网络协调器节点：此模块电路就相当于整个无线数据监测网络的大脑，它主要功能是负责整个网络的管理，并接收和存储由终端节点发送过来的数据。将接受到的采集数据通过RS232协议传送出去4。（3） ZigBee终端节点：本模块主要用于前端检测器件的数据，并将说采集的数据发送出去。（4） LCD显示模块：LCD显示模块式显示从ZigBee协调器节点接收到的从现场采集的温度、湿度、电流、电压等物理参数进行采集。2.3 系统关键技术介绍2.3.1 ZigBee协议体系ZigBee协议栈是基于标准的OSI（Open System Interconnection）七层网络模型，IEEE 802.15.4标准协议在七层网络模型中定义了物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）。IEEE 802.15.4定义的两个物理层分别工作在868MHz/915MHz和2.4GHz两个频段上。欧洲使用的868MHz频段和在美澳使用的915MHz频段属于IEEE 802.15.4定义的低频段的物理层，而2.4GHz的高频段可以在全球范围内免费使用，这种高低搭配满足了不同用户的需求。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层（Network Layer，NWK）、应用层（Application Layer，APL）、应用构架层（Application Framework，AF）、ZigBee设备对象（ZigBee Device Objects，ZDO）以及制造商定义的对象。在ZigBee协议的体系结构中，每个网络结构层都拥有数据实体（Data Entity，DE）和管理实体（Management Entity，ME），并且通过DE和ME连接层与层。其中DE的功能只是用于数据的传输，但是ME可以提供所包含的所有服务类型。协议中的每个层之间都是用网络接入点（Service Access Point，SAP）进行相连。每个网络接入点为了完成相应的操作都会提供大量的服务方法去完成任务。图2-2为ZigBee标准协议的体系结构。以下为ZigBee标准协议体系结构各层的功能：（1） 物理层（PHY）物理层是最接近硬件的层，直接控制射频收发器并与其通信。PHY层是有半双工的无线收发器和其接口组成的，主要负责以下功能：l 启动和禁止射频收发器；l 传输收发数据；l 选择通信频率（在该精度下收发器才会运行）；l 能量检测（Energy detection，ED）。此项功能可以用于检测频带中的信号强度，其结果可以看出此信道频段是否已经被占用。l 执行CCA；l 产生一个LQI。LQI是判断接收器接收到的数据质量好坏的一个重要的技术指标。其中一个信号的强弱直接反应了信号的质量。（2） 媒体访问控制层（MAC）媒体访问控制层可以相邻节点之间建立一条安全可靠的数据传输网络，实现各个节点之间的共享传输媒介，MAC也在负责对物理信道的控制访问。主要实现以下功能：l 当设备是一个协调器时产生信标；l 在信标网络使用信标进行同步；l 执行CSMA-CA信道访问机制；l 在两个对等MAC实体之间（不同设备）提供可靠的连接；l 提供PAN关联和解除关联服务；l 提供安全支持。MAC层负责自己的安全处理，但是高层决定采用哪种安全等级。（3） 网络层（NWK）网络层主要负责以下功能：l 开始一个新的网段，也就是发起一个新的网络；l 执行网络层安全；l 路由信息帧到它们的目的地。只要Zigbee协调器和路由器才能中继消息；l 发现和维护设备间的路由，用来发现并记录有效的消息路由路径；l 发现单挑邻居。这些设备可直接到达，无需任何其他设备提供中继服务；l 存储有关单挑邻居的信息；l 可以给新加入无线数据采集系统的节点。（4） 应用层（APL）应用层是网络协议的最高层，由三部分组成：应用支持子层（Application Support ，APS）、ZigBee设备对象（ZigBee Device Objects，ZDO）、应用框架（Application Framework，AF）。应用支持子层主要是提供网络层和应用层之间的接口，完成数据地址的交换。以下是应用支持子层的职能：l 保存绑定表；l 在相互绑定设备之间传递消息；l 管理组地址；l 映射64为IEEE地址到16为网络地址，反之亦然。l 提供可靠数据传输。ZDO是利用NWK和APS的一个应用程序设备，ZDO主要充当的是无线网络协调器、无线子网络协调器、终端设备三大类功能的其中一个。其主要实现功能如下：l 定义网络角色；l 初始化网络，使协调器与终端节点绑定在同一网络中；l 执行安全相关的任务。ZigBee中的应用层框架是应用对象运行的环境。图2.2 ZigBee标准协议的体系结构2.3.2 ZigBee网络结构利用ZigBee技术可以方便地组建廉价的低速率无线个域网。ZigBee网络基础主要包括设备类型、拓扑结构、路由方式三方面的内容。作为网络基础的网络节点类型，它主要反应了网络的拓扑结构。ZigBee标准规定了协调器（Coordinator）路由器(Router)和终端节点（End Device）三种网络节点。符合IEEE 802.15.4协议的无线传感器网络中有两种终端设备，分别为：全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）。FFD可以执行IEEE 802.15.4标准中描述的所有功能，并且可以扮演网络中的任何角色。但是，RFD只有FFD的部分功能。RFD设备的处理能力和内存远远小于FFD设备。 ZigBee设备的类型以及功能的描述见表2-1：表2-1 ZigBee设备类型机器功能ZigBee的设备类型IEEE 802.15.4的设备类型典型功能协调器FFD除路由器的典型功能外，还包括创建和配置网络，存储绑定表等功能路由器FFD允许其他节点加入，分配网络地址，提供多条路由和数据转发，协调终端设备完成通讯终端设备RFD完成节点的休眠的唤醒、传感器的控制功能路由器作为形成网络的重要设备，当网络采用树状或者网型拓扑结构时，它可以充当协调器，使数据的传输距离得到加长。它不仅可以完成自身节点数据的处理，还可以作为数据的“传送站”，传递从其他节点接收到的数据，与终端设备完成通讯。终端节点的主要任务就是接收和发送信息，当终端节点没有接收和发送任务时，节点处在休眠状态，以降低能量消耗。终端节点主要任务是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。ZigBee标准与IEEE 802.15.4的区别图2.3所示：图2.3 IEEE 802.15.4和ZigBee标准中的设备角色ZigBee网络主要有三种组网形式：星型网络、树状网络和网状网络5。（1） 星型网络：图2.4 星型网络星型网络拓扑是最常见的拓扑网络形式，如图2-4所示。由图可以看出，星型网络拓扑结构是由一个ZigBee协调器节点和多个终端设备节点组成的。网络中的数据共享只能发生在协调器和终端设备节点之间，不能由一个终端节点传输到另一个终端设备节点。当协调器节点组建一个属于自己的网络的时候，它会第一时间在其射频范围内找到一个唯一的标识符，并且保证这个标示符没有被其他网络设备所使用。（2） 树型网络树型网络拓扑结构如图2.5所示。由图可以看出，树形网络的协调器不同于星型网络中的网络协调器，它可以不仅可以与终端节点进行数据传输，而且可以和由节点组建的子网络充当协调器的子节点建立数据共享。但是直接数据共享只能出现在父子关系的节点之间，跨级的节点之间不能出现直接的数据通信，又有通过与其相连的子路由器节点进行数据的间接共享。不过，利用这种数据的间接传递实现数据信号的“多级跳”，可以拓展网络覆盖区域，增加网络传输距离。但是，随着网络的不断扩大，节点的时延会叠加，使信号延迟不断严重。图2.5 树状网络（3） 网状网络网状拓扑如图2.6所示。图2.6 网状拓扑 当两个设备距离足够近的话，他们会自己连接并组建成网络。这样多对近距离的网络节点就会组成网状无线数据传传输6。因为在网状拓扑结构中节点都具备数据信号转发的功能，因此网状结构中的设备只能是全功能设备FFD。精简功能设备RFD在网状结构中不是没有用，他可以充当特定设备，比如路由器。如果某些节点间的通信可由其他中继节点转发且不甚影响网络性能，可不必直接互联。因此在地域范围很广节点数目较多时，都是部分节点连接的任意拓扑结构。综上所述，不论什么样的网络拓扑结构，一个IEEE 892.15.4网络总会存在一个协调器，并由它创建网络。网络协调器控制网络并执行以下职责：l 在组建的网络内，给每个终端设备一个特定的身份信息，即适用于本网络的地址。l 初始化、终止、转发网络中的信息。整个网络中只有一个网络协调器，并且它需要较长的活跃周期。因此，网络协调器通常连接到一个主电源，并非是电池。处理协调器外的设备不是每时每刻都保持在工作状态，而只有需要数据采集的时候处于工作状态，其余时间都在休眠状态。所以，终端设备用电池就可以满足其电路需求。2.3 ZigBee无线芯片的选取ZigBee技术的快速发展，广大芯片商制造出来许多型号符合ZigBee标准的芯片。目前，ZigBee联盟中的各大芯片生产厂商如Chipcon、Ember、Freescale等厂商都推出了ZigBee无线解决方案。表2-2中选取了几种有代表性的芯片进行比较。为了能在能够完成设计要求，又能简化设计，通过比较发现，CC2530比较符合我们的设计要求。CC2530是以系统芯片CMOS为解决方案的。这种解决方案可以提高系统性能并可以满足以ZigBee为基础的集成开发环境作为支持。CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合对电池寿命要求比较高的应用。表2-2 ZigBee芯片比较芯片型号MCU内存容量休眠电流收发电流外围接口JN512132位RISC16MHz96K RAM,64K ROM5uA50/40mAADC，DAC，UART，SPI,12C，Timer，ComparatorMC132XX8位40MHz4K RAM，60K Flash40uA37/30mAADC，UART，SPI,12C，Timer，ComparatorEM25016位XAP5K RAM,128K Flash1.5uA29/33mAADC，UART，SPI,12C，TimerCC25308051内核32MHz8K RAM，128K Flash1uA25/34mAADC，Timer，UART第三章 硬件电路的设计3.1 总体设计方案本文所设计的无线数据采集系统，总体上利用两个CC2530模块，一个作为主协调器，另一个作为普通设备形成一个最简单的数据采集网络。系统整体框图如图3.1所示。完成本设计，主要是针对主协调器模块的设计。主协调器模块中包含基础的CC2530基本电路，负责通信任务，还有就是一些外围电路，比如LCD显示电路、供电模块、串口转USB电路等。主协调器负责网络的监管，允许终端节点的加入和离开，并且接受并且存储由终端节点采集来的信息，然后将所接收到的信息进行显示。其中，LCD显示模块负责将终端节点所采集到的实际数据进行显示。USB串口转换模块负责CC2530芯片与PC机进行信号交换。供电模块负责整个系统的能量供应，满足工作状态和休眠状态和电量需求，并达到低耗能的系统设计要求。图3.1 系统整体框图本课题的硬件电路设计可以分为CC2530基本工作电路和节点外围电路两大部分。外围节点电路主要是为了可以实现组网的功能，并实现程序的下载和与计算机通讯等功能。外围电路主要由前端的数据采集电路、与PC相连进行节点程序下载的串口通信电路、还有其他基本功能的电路组成。本文所指出的CC2530芯片完全能够满足设计要求，能够完成无线数据的采集。各模块的电路在后文逐一给出。3.2 CC2530无线单片机介绍CC2530模块是基于ZigBee 2007标准的芯片，模块使用了SMT工艺批量生产，一致性好，可靠性高；模块工作在免费的2.4GHz频段，数字I/O接口全部引出，用处广泛。CC2530在设计时就将所有的I/O口外置，这样做就是为了方便用户对芯片进行二次开发，充分发挥芯片的潜能。CC2530的核心是增强型的8051微控制器，并且芯片内部还包含一个高性能的射频收发器，并且支持芯片系统内进行编程，系统为芯片提供10dB的链路宽频带，拥有8kB的内存容量，因此芯片中的RF射频收发器具有较强的灵敏度和强大的信号抗干扰能力7。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32kB、64kB、128kB、256kB的闪存容量7。CC2530 在工作状态和休眠状态时两种不同的工作模式，可以根据具体的工作要求选择供电方式，已达到超低功耗的系统要求。CC2530模块具有体积小，信号增益大，信号接收灵敏度高等优点，并且模块采用了SWA天线设计，使得信号传输距离达到更远。CC2530芯片的结构是标准的间距为2.54的双排插针接口，普适性强，可以兼容多种外设，用户可以更方便、快速的搭配自己的系统，性价比较高。CC2530芯片的内部结构如图3.2所示。图3.2 CC2530内部结构模块有三种供电方式，分别如下：（1） 仿真器供电。当模块接上仿真器，仿真器连接电脑以后，模块就直接连上3.3V电源，此时板子上有3.3V的电源输出，可以给其他模块和传感器供电。（2） USB供电。但模块使用USB线连接电脑时，模块可以实现与计算机进行通信，同时模块就直接连上5V电源，此时板子上有3.3V和5V两种电源输出，可以给其他模块和传感器供电。（3） 外部电源输入。输入电压为3.5V5.0V之间，可用3节5号电池（4.5V）或者单节锂电池（3.7V）供电。3.2.1 CC2530芯片的硬件组成如图3.3和图3.4所示分别为CC2530的开发底板和核心模块。 图3.3 开发底板 图3.4 核心模块3.2.2 CC2530芯片的主要特征CC2530芯片具有强大的功能，其共有40个外设的引脚。所有引脚中包含芯片的输入输出端口引脚、电源控制引脚等功能引脚。CC2530模块可用的输出输入端口引脚有20个之多，充足的引脚个数使得用户能采用各种不同的传感器和功能不同的外围电路完成各种实际功能，开发出格式各样的产品8。CC2530的主要技术指标如表3-1所示。表3-1 CC2530主要技术指标性能参数名称指标频段24052480MHz主芯片CC2530通信协议标准IEEE 802.15.4调制方式DSSS（O-QPSK）数据传输速率250kbps通信范围空旷场合400m（MAX）接收灵敏度-97dBm寻址方式64位IEEE地址，8位网络地址数据加密128 b AES错误校验CRC 16/32通信接入点CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA信道数16接口27 26双排2.54mm间距插针发射电流（最大）34mA接收电流（最大）25mA工作温度-4085电源2.03.6V物理尺寸36mm26mm CC2530具有8倍于标准8051内核的性能，且程序代码与标准8051完全兼容，方便我们编程。CC2530具有较宽的电压范围(2.03.6V)。这就使其的应用范围更加广阔。 在CC2530内有8K字节静态RAM。CC2530现在有4种不同的版本：CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256，它们的区别主要是内置闪存的容量不同，分别是32KB、64KB、128KB、256KB。充足的存储器资源使其能够装载下几乎所有当前流行的协议栈和用户编写的应用软件9。 CC2530的封装尺寸是6mm6mm的40.QFN封装，非常小巧。此种封装形式使其应用产品可以做的非常小巧，适用范围更广。同时它有利于降低制版面积，节约成本。CC2530封装如图3.5所示：图3.5 CC2530的引脚排列CC2530芯片各引脚功能如表3-2所示：表3-2 CC2530各引脚功能引脚名称引脚引脚类型描述AVDD128电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接AVDD227电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接AVDD324电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接AVDD429电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接AVDD521电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接AVDD631电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接DCOUPL40电源（数字）1.8V的数字电源用于消除耦合，禁止用外部电源DVDD139电源（数字）2V3.6V数字电源连接DVDD210电源（数字）接23.6V大小数字电源GND接地在固定水平面上连接一个垫底GND1，2，3，4未使用的引脚连接到GNDP0_019数字I/O端口0.0P0_118数字I/O端口0.1P0_217数字I/O端口0.2P0_316数字I/O端口0.3P0_415数字I/O端口0.4P0_514数字I/O端口0.5P0_613数字I/O端口0.6P0_712数字I/O端口0.7P1_011数字I/O端口1.020mA驱动能力P1_19数字I/O端口1.020mA驱动能力P1_28数字I/O端口1.2P1_37数字I/O端口1.3P1_46数字I/O端口1.4P1_55数字I/O端口1.5P1_638数字I/O端口1.6P1_737数字I/O端口1.7P2_036数字I/O端口2.0P2_135数字I/O端口2.1P2_234数字I/O端口2.2P2_333数字I/O端口2.3/32.768kHz XOSCP2_432数字I/O端口2.4/32.768kHz XOSCRBIAS30模拟I/O参考电流的外部紧密偏置RESET_N20数字输入RESET，活动到低电平RF_N26RF I/ORX期间负RF输入信号LNARF_P25RF I/ORX期间正RF输入信号LNAXOSC_Q122模拟I/O32MHz晶振引脚1或者是外部时钟信号输入XOSC_Q223模拟I/O32MHz晶振引脚23.3 CC2530基本电路基于IEEE 802.15.4的无线芯片是一套SOC无线解决方案，它内部包含一个运算控制单元和一个射频单元。可能正是因为CC2530芯片内部的高度集成性，所以在搭建一个应用系统时只需要少量的外围电路。CC2530具有三种供电方式，供电的电压范围非常宽，2.0V3.6V的电压都可以作为其工作电压。而芯片内部采用1.8V的供电电压，外部数字输入输出端口使用的是4.3V电压，芯片内部还集成了一个直流稳压器，能够把3.3V的电压转换为1.8V的电压。这样外围电路就不用再专门设计一个电压转换电路。图3.6为CC2530基本电路图。基本电路中电阻做为偏置电阻，为系统提供合适的工作电流。XTAL2和电容、产生的32.768kHz时钟信号，还有XTAL1和电容、产生的32kHz的信号，为CC2430休眠时提供时序。系统工作时的时钟控制是通过使用SFR寄存器CLKCON来完成的。图3.6 CC2530基本电路3.4 CC2530外围节点电路 为了实现无线现场数据的无线采集，除了CC2530基本电路外，还需要外围电路予以辅助。外围电路主要包括数据采集电路、串口通信电路、节点程序下载