基于ZigBee技术的智能小区控制系统设计.doc

目录第1章 前 言11.1 ZigBee即使的发展状况11.2 Zigbee技术的应用领域及其特点11.3 GSM技术简介3第2章 系统总体设计方案52.1 设计要求52.2 系统主机部分方案分析52.3 系统数据采集部分分析52.3.1防盗部分52.3.2气体传感器防火灾部分62.3.3防燃气泄露部分62.4数据传输部分6第3章 系统硬件设83.1 传感器的选取设计83.1.1 热电式红外传感器原理及说明83.1.2 气体传感器的选取113.1.3 燃气泄露传感器133.2 ZigBee模块介绍143.3 传感器与cc2430的连接183.4 AT89C51功能介绍183.4.1 AT89C51主要技术参数183.4.2 功能特性概述193.4.3 引脚功能说明193.4.4 单片机外围电路设计213.5 GSM模块213.5.1 TC35I简单介绍213.5.2 TC35I引脚介绍223.5.3 TC35I开发技巧233.6 TC35I与T89C51连接图233.7 AT89C51单片机与PC机的串口通信243.7.1 串口电路243.7.2 一般说明25第4章 系统软件设计264.1 软件流程图264.2 软件编程26致谢33参考文献3435 / 36第1章 前 言1.1 ZigBee技术的发展状况在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。 Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zigbee控制网络。不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee基站却不到1000元人民币;每个Zigbee 网络节点不仅本身可以与监控对对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料; 除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，Zigbee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这们新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee 本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。1.2 Zigbee技术的应用领域及其特点 Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。（成都西谷曙光数字技术公司的专利技术）。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输： .需要数据采集或监控的网点多；.要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；.要求数据传输可性高，安全性高；.设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；.电池供电；.地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；.现有移动网络的覆盖盲区；.使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。.使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。Zigbee 技术的特点：.省电：两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间 .可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。 .时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。.网络容量大：可支持达65000个节点。.安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。.高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。2本设计中采用的ZigBee芯片是cc2430芯片，CC2430是TI/ChipconAs公司最新推出的符合2.4G IEEE802.15.4标准的射频收发器.利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kbit/s可以实现多点对多点的快速组网。CC2430的主要性能参数如下： (1)工作频带范围：2.4002.483 5 GHz；(2)采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；(3)数据速率达250 kbit/s码片速率达2 MChip/s；(4)采用o-QPSK调制方式；(5)超低电流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-99 dBm）；(6)抗邻频道干扰能力强(39 dB)；(7)内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器采用低电压供电(2.13.6V)；(8)输出功率编程可控；(9)IEEE802.15.4 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBCMAC,CCM)；(10)与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；(11)采用QLP-48封装，外形尺寸只有。CC2430只需要极少的外围元器件，它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路3个部分CC2430为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为头帧数据帧校验帧；PHY层的帧格式为,同步帧PHY头帧MAC帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。51.3 GSM技术简介GSM全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称全球通，由欧洲开发的数字移动电话网络标准，它的开发目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。GSM系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM-1900、1900MHz等几个频段 。 GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。目前世界上主要的两大GSM系统为GSM 900及GSM1800，由于采用了不同频率，因此适用的手机也不尽相同。前者发展的时间较早，使用的国家较多，后者发展的时间较晚，使用的国家也较少。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，而手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。本设计采用GSM模块是西门子工业级GSM模块TC35i，它可以快速安全地实现系统方案中的短消息服务(Short Message Service)。TC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口等六部分组成。它设计紧凑，大大缩小了产品体积，与GSM22+兼容，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，模块的工作电压为3.34.8 V，兼容双频（GSM 900/GSM l800）工作，具有RS232数据通信口。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音和短消息供快速、可靠、安全的传输。TC35i有40个引脚通过ZIF连接器引出。9本设计是基于无线传输技术的家庭小区安全报警的相关设计内容，包括火灾报警，燃气泄漏报警及防盗报警的设计，包括ZigBee各个传感器，无线技术模块，单片机和GSM模块，供电模块几大部分构成。重点在于ZigBee芯片和GSM模块的选择，以上则简单介绍了这两个模块的应用问题。下面的章节将重点介绍各部件的功能及应用。第2章 系统总体设计方案2.1 设计要求基于单片机控制，完成信号采集及传输系统设计。系统完成传感器与cc2430芯片的进行信号采集，cc2430与AT89c51的连接，AT89c51与GSM模块的传输。2.2 系统主机部分方案分析本系统设计的目标为：获得各个传感器所采集到的信息，经过预处理、数字化后，在存储介质中存储，没采集一组信息后进行相应处理。与普通的数据传输不同，本系统采用的是无线技术进行的信息的传输。根据以上任务的需求，对微处理器的选择提出了一下要求：（1）具有柔性化的特点，即可为不同的应用场合定制，并支持在线修改程序代码；（2）具有结构紧凑，专一性强的特点；（3）有高的运算速率；（4）具有较强的控制性能。根据以上分析结果,在本设计中应用的是AT89C51。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存贮器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大5。AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。2.3 系统数据采集部分分析2.3.1防盗部分防盗部分采用的是热电式红外传感器，热电型红外线传感器系利用热电效果，其材料则使用强介质陶瓷体 (Dielectric Ceramic)，钽酸锂(LiTaO3)等单结晶及PVDF 等有机材料。热电型红外线传感器具有下列几项特征：(1) 由于系检知从物体放射出出来的红外线，所以不必直接接触就能够感知物体表面的温度，故人体检知以及移动中物体的温度当然均能以非接触之方式测得。 (2) 热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，所以并不需要校对投光器、受光器之光轴等烦琐的作业。2.3.2气体传感器防火灾部分采用的是SS-668为离子型烟雾探测设备，适用于安装在少烟、禁烟场所，用来探测烟雾有无，当一定量烟雾进入SS-668烟雾传感器的反应腔，传感器发出声光警报，并向采集器输出告警信号，通过SS-668能够准确地检测到烟雾，为火灾预防和早期发现提供帮助。2.3.3防燃气泄露部分该防燃气泄露部分采用的是Jd-pr30它采用微处理器控制，自动复位，高稳定性传感器，故障自动检测功能，采用SMT工艺制造，可联动机械手、电磁阀、排风扇 探测天然气、液化石油气 。2.4数据传输部分数据传输采用的是cc2430芯片，进行无线通信。因为CC2430 芯片具有以下主要特点：.高性能和低功耗的8051 微控制器核。.集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。.优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。.在休眠模式时仅0.9 A 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 A 的流耗，外部的中断能唤醒系统。.硬件支持CSMA/CA 功能。.轿宽的电压范围（2.03.6 V）。.数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。.具有电池监测和温度感测(ju you dian chi jian ce he wen du gan ce)功能。.集成了14 位模(wei4 mo2)数转换的ADC。.集成 AES-128 安全协处理器。.带有 2 个强大的支持几组协议的USART，以及1 个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC 计时器，1 个常规的16 位计时器和2 个8 位计时器。.强大和灵活的开发工具。 这些特点适合本系统设计需要，故采用cc2430芯片。系统设计结构框图如下图所示：红外传感器气体传感器燃气泄漏传感器ZigBee模 块CC2430ZigBee模 块CC2430AT89C51 单片机PC机GSM模块用户手机 图2-1 系统方框图第3章 系统硬件设计3.1 传感器的选取设计3.1.1 热电式红外传感器原理及说明热电式红外传感器是被动式的红外传感器，其内部核心芯片为Biss0001。下面对biss0001做重点介绍：Biss0001有如下特点：.CMOS工艺.数模混合.具有独立的高输入阻抗运算放大器.内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰.内设延迟时间定时器和封锁时间定时器.采用16脚DIP封装 图3-1B ISS0001引脚图 表3.1 BIS0001引脚及其功能介绍引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端工作原理BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。 图3-2 BISS0001接线图采用热释电传感器的优势是成本低, 不需要用红外线或电磁波等发射源, 隐蔽性好, 可流动安装, 灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应, 能以非接触形式检测出人体辐射的红外线, 并将其转变为电压信号同时, 它还能鉴别出运动的生物与其他非生物。实际使用中, 热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上, 同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区, 以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性, 这样可大大提高接收灵敏度, 增加检测距离及范围。实验证明, 热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜, 则其检测距离仅为2M左右（检测人体走过）而配上菲涅尔透镜后, 其检测距离可增加到10M以上, 甚至可达20M以上。不可重复触发由于PIR信号变化缓慢、幅值小, 针对该特点, 专用信号处理器一般分为3步处理滤波放大、窗口比较、噪声抑制及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它采用CMOS工艺、数模混合, 具有独立的高输人阻抗运算放大器, 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。它有两种工作方式供选择, 通过将引脚A置1或0。可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式。本系统选择可重复触发方式。在将传感信号进行预处理后, 通过双向鉴幅器可检测出有效触发信号Vs。由于选择的是可重复触发方式, Vs可重复触发VO为有效状态, 并可促使VO在延时周期Tx内一直保持有效状态。延时周期的大小可通过R1和C1调节。在Tx时间内, 只要Vs发生上跳变, VO就会从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期;若Vs保持为“ 0”状态, 则VO一直保持有效状态;若保持为“0”状态, 则在周期Tx结束后VO恢复为无效状态, 并且在封锁时间Ti时间内,任何Vs的变化都不能触发VO为有效状态。工作方式：利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。 当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。183.1.2 气体传感器的选取气体传感器选择的是MC1468.MC系列芯片MC14468为离子型熘雾检测报警芯片，是目前市场上很流行的集火灾检测与报警于一体的智能传感器。当检测到烟雾颗粒时，它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声与此同时 还驱动发光二扳管(LED)以lHz的频率闪烁发光，利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果。MC14468的1脚(检测输出端)直接联接单片机的INT0当检测到烟雾时其输出的高电平通过INT0控制单片机内部定时器TO工作，定时90ms，TO溢出中断 进入中断服务程序，通过串口发送数据(房间号或之前对该系统的有意义编码)给单片射频收发器cc2430。在检测到烟雾时，MC14468自身的100 mV的滞后电压会防止其他井界因素(如飞虫)造成的误报警。辅以单片机产生90 ms的延时更能提高系统的可靠性。其构成的烟雾检测电路如图所示。 图3-3 设计原理图上图是我们用MC14468设计的TAJY一9708型家用火灾自动探测报警器的原理图，图中离子室中的离子电流随着探测现场的烟雾变化而变化，从而产生微弱的电压变化传到检测端l5，由MC14468内部的逻辑处理电路处理后，启动蜂鸣器驱动电路，蜂呜器驱动电路经外接的C10、R10和R9形成调制的变顿输出从而推动蜂鸣器发出报警声。通过报警声音和发光二极管Vl的田烁等来判定所处的各种状态。当Vl发光二极管田亮，并且蜂鸣器发出刺耳的音频报警声时为奉处有火灾报警信号，当只有刺耳的报警声，而发光二极管不闪亮时为本区域探测网中其他地方报警，提醒用户注意危险。当为一短促的嘟嘟声，且v1发光二极管闪亮时为电池欠压告警，提醒用户更换电池。当为一短促的嘟啷声，且Vl发光二极管不亮则为探测报警器的灵敏度级别有所降低，提醒用户进行适当的维护，以提高其探测灵敏度。同时不同状态的闪亮频率还有所区别。蜂鸣器X1共有三个极，分别为B极、s极、F极，系美国进口由中美合资合肥天安电子有限公司经销 B1为9V叠层电池，探测报警器处于监控状态时电流只有10 A左右+所以一般情况下电池至少可以使用一年以上 图中R8用来设置电池欠压告警值，可以根据需要来进行调整，R7用来设置探测灵敏度，R4定时电阻一般选用82M 。V1可选用目前市场上晟新推出的高亮度发光二极管，以减少损耗 R1，R2和V2，V3是当接成区域报警网时用来保护芯片免遭意外干扰或静电等造成损坏。离子室所用放射源可选用镅241(Am241)强度约08徽居里左右即可。探测报警器安装后一般每一十月要自检一次，检查其报警等各种功能是否正常。为此设置了一自检按钮，安装在壳体的外部，以供用户自检使用。整个装置为全塑乳白色外壳，美观大方，内设有金属屏蔽层，可防止外部各种信号干扰，结构紧凑为吊顼式安装。内置的离子源强度较小不会对环境造成污染，不会对人体造成伤害符合有关规范要求。类似MC144671和MC14468的芯片还有摩托罗拉公司生产的MC1 4578MC14570它们的基本工作原理相同只是因其内部无电池欠压告警电路，只能通过外接集中供电电源来实现，比较实用于一个较大的住宅小区，采用统一的电源而在布线时引至每一安装此装置的居民家中即可。检测输入端的邻近脚均设置有隔离保护，这三个脚的输入端电压必须在lO0mV以内，以维持其泄漏电流最小化，提高其测量精度，15脚检测输入端内部设置有保护二极管，防止静电干扰等引起场效应管损坏。烟雾探测的灵敏度和电池欠压告警值可通过外接电阻来设置，它们共用一个电阻分压网络，通过3脚将电阻接到VDD，可设置电池欠压告警电压值，通过13脚将一电阻接至Vss可设置灵敏度级别；灵敏度级别的设置也可以通过改变离子室的结构或离子源的强度。电池欠压告警值一般设置为7OV左右。Mc14468还可工作于一种自检模式，用来检测装置的工作状态，将1脚接至VDD可模拟检测出有烟等情况MC14468还具有一个io脚，可将约40个稔测单元构成一个多点探测区域，在得电后的三个振荡器周期内，1o引脚处于无效状态 消除其它单元的意外变化引起的误报警等，为提高噪声抑制能力，它同其它单元信息交换主要采用电流传输方式。3.1.3 燃气泄露传感器燃气泄露传感器选择的是电化学传感器，下面简单介绍一下电化学传感器的原理并给出其用于气体检测的电路图。电化学传感器原理：化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。 识别系统反待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，反所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。 图3-4气体检测电路图.电位差 .由于 IC1 的负反馈调节作用，参比电极被控制为零电位（虚地）为保持参比电极为零电位，Counter 和 Sensing 的电位都必须随溶液成分变化时调节，这样输出电压就能反应溶液成分。.Rload控制反应时间，ic2上方的反馈电阻控制放大倍数，建议采用惯性电路增强稳定性3.2 ZigBee模块介绍ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。22ZigBee技术特点.低功耗；.低成本；.低速率；.近距离；.短时延；.高容量；.高安全；.免执照频段。ZigBee模块选择的是cc2430芯片为核心的设计。3.2.1 cc2430引脚及典型应用电路图 图3-5 cc2430外部接口电路图CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。图中为CC2430芯片的一种典型硬件应用电路。17可使天线性能路使用一个非平衡天线,连接非平衡变更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50 )的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32 MHz的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C211）构成一个32 MHz的晶振电路。用1个32.768 kHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C441和C431）构成一个32.768 kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8 V电压的引脚和内部电源供电，C241和C421电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。11 图3-6 cc2430内部功能图 3.2.2 CC2430芯片的引脚功能 CC2430芯片采用7 mm7mm QLP封装,共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。 1）I/O端口线引脚功能 CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。 I/O口有下面的关键特性： .可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。 .在输入时有上拉和下拉能力。 .全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。 16脚（P1_2 P1_7）： 具有4 mA输出驱动能力。 8，9脚（P1_0，P1_1）： 具有20 mA的驱动能力。 1118脚（P0_0 P0_7）： 具有4 mA输出驱动能力。 43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4 mA输出驱动能力。 2） 电源线引脚功能 7脚（DVDD）： 为I/O提供2.03.6 V工作电压。 20脚（AVDD_SOC）： 为模拟电路连接2.03.6 V的电压。 23脚（AVDD_RREG）： 为模拟电路连接2.03.6 V的电压。 24脚（RREG_OUT）： 为25，2731，3540引脚端口提供1.8 V的稳定电压。 25脚 (AVDD_IF1 )： 为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8 V电压。 27脚（AVDD_CHP）： 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V电压。 28脚（VCO_GUARD）： VCO屏蔽电路的报警连接端口。 29脚（AVDD_VCO）: 为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8 V电压。 30脚（AVDD_PRE）: 为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8 V的电压。 31脚（AVDD_RF1）: 为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8 V的电压。 33脚（TXRX_SWITCH）: 为PA提供调整电压。 35脚（AVDD_SW）: 为LNA/PA交换电路提供1.8 V电压。 36脚（AVDD_RF2）: 为接收和发射混频器提供1.8 V电压。 37脚（AVDD_IF2）: 为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8 V电压。 38脚（AVDD_ADC）: 为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8 V电压。 39脚（DVDD_ADC）: 为ADC的数字电路部分提供1.8 V电压。 40脚（AVDD_DGUARD）: 为隔离数字噪声电路连接电压。 41脚（AVDD_DREG）: 向电压调节器核心提供2.03.6 V电压。 42脚（DCOUPL）: 提供1.8 V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。 47脚（DVDD）: 为I/O端口提供2.03.6 V的电压。203）控制线引脚功能 10脚（RESET_N）: 复位引脚，低电平有效。 19脚（XOSC_Q2）: 32 MHz的晶振引脚2。 21脚（XOSC_Q1）: 32 MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。 22脚（RBIAS1）: 为参考电流提供精确的偏置电阻。 26脚（RBIAS2）: 提供精确电阻，43 k，1%。 32脚（RF_P）: 在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。 34脚（RF_N）: 在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。 43脚 (P2_4/XOSC_Q2): 32.768 kHz XOSC的2.3端口。 44脚 (P2_4/XOSC_Q1): 32.768 kHz XOSC的2.4端口。13.3 传感器与cc2430的连接 图3-7 各传感器与cc2430连接图由于cc2430内部带有8051单片机内核，有I/O接口，所以可以和传感器德 输出直接相连。CC2430 集成了增强工业标准的8051 MCU 核心。该核心使用标准8051 指令集。每个机器周期中的一个时钟周期与标准8051 每个机器周期中的1 2 个时钟周期相对应，因此其指令执行的速度比标准8051 快。由于指令周期在可能的情况下包含了取指令操作所需的时间，故绝大多数单字节指令在一个时钟周期内完成。除了速度改进之外，CC2430 的8051 核心也包含下列增强的架构：.第二数据指针；.扩展了1 8 个中断源。6CC2430 核心的8051 的目标代码与工业标准8051 目标代码兼容。但是，由于与标准8051 使用不同的指令定时，因此以往编写的标准8051 目标代码的定时循环程序需要修改；此外，扩充的外部设备所使用的特殊功能寄存器(SFR)涉及的指令代码也有所不同。鉴于篇幅的限制，读者所熟悉的标准8051 微控制器的寄存器、堆栈及其指针、指令集等就不再详细介绍. 223.4 AT89C51功能介绍3.4.1 AT89C51主要技术参数.4K字节可重擦写Flasn闪速存储器.1000次擦写周期.全静态操作：0Hz24MHz.三级加密程序存储器.1288字节内部RAM.32个可编程I/O口线.2个16位定时/计数器.6个中断源.可编程串行UART通道 .低功耗空闲和掉电模式 图3-8AT89C51引脚图3.4.2 功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡及时时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。20 3.4.3 引脚功能说明.Vcc：电源电压.GND：地.P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储或程序存储时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。.P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash编程或程序校验期间，P1接收低8位地址。.P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXRI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。.P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表41所示：表3.2 接口功能端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2 （外中断0）P3.3 （外中断1）P3.4T0 （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2 （外中断0）P3.3 （外中断1）P3.4T0 （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。.RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。3.ALE/ ：当访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡器频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每访问外部数据存储器时将跳过一个AL脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ ）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。.程序储存允许（ ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 信号不出现。14.EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的命令。Flash存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp.XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。.XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。43.4.4 单片机外围电路设计图 3-9单片机电路图3.5 GSM模块GSM模块采用的是西门子生产的TC35I芯片：3.5.1 TC35I简单介绍TC35i新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.34.8V ,电流消耗休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值；可传输语音和数据信号, 功耗在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和1W ,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s115kb/s , 自动波特率为1.2kb/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复，TC35i由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。作为TC35i的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。73.5.2 TC35I引脚介绍 图3-10 TC35I引脚图TC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。TC35i的第15引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第610引脚是电源地。11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压(共外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。 15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35i进入工作状态,必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。81623为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和DCD0。tc35i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps115kbps之间可选，默认9600。硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。15其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。TC35i使用外接式SIM卡, 2429