基于ZigBee技术的定位技术研究与应用硕士学位论文.doc

单位代码： 10293密级： 硕士学位论文论文题目： 基于 ZigBee 技术的定位技术研究与应用学号姓名导师学科专业研究方向申 请 学 位 类 别 论 文 提 交 日 期 南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：导师签名：日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要摘要无线传感器网络技术能够给人们的生产生活带来方便，从而得到了快速的发展。其中 ZigBee 技术具备规范的协议标准，被广泛地用于无线传感器网络中。利用 ZigBee 技术可以构 建廉价的无线传感器网络。确定网络中节点的位置信息对无线传感器网络技术具有重大意义。 如何方便的获取节点的准确位置成为当今研究的热点。目前已经有了一些定位问题的解决方 案，例如：基于 RSSI 定位、基于 TOA 或 TDOA 定位等。这些定位技术都存在一些瑕疵，解 决无线传感器网络的定位问题仍然需要进一步的研究。本文对无线传感器网络中的定位技术进行了研究。首先，介绍了 ZigBee 技术及无线传感 器网络中已有的针对定位问题的解决方案，重点介绍了基于测距的定位算法。其次，利用不 同芯片的晶振之间时钟频率偏移具有稳定性这一特性，再结合 TDOA 定位算法，本文提出了 一种适用于无线传感器网络的 TDOA 定位算法。该定位算法考虑了不同芯片晶振之间的时钟 频率偏移，通过将测量得到的信号到达时间差转换成节点之间的距离差，从而进行定位。使 用该定位算法避免了无线传感器网络中的时间同步难题，有效地解决了较远距离未知节点的 定位问题。最后，通过修改 ZigBee 节点的程序，设计定位实验，证实采用本文所提出的基于 TDOA 定位算法得到的节点之间距离差随着采样组数的增加而趋于稳定，并且能够取得满意的定位 效果，该定位算法是稳定的，可行的。该算法为以后更好地解决无线传感器网络中的定位问 题奠定了基础。关键字：无线传感器网络，ZigBee 技术，到达时间差，定位I南京邮电大学硕士研究生学位论文AbstractAbstractWireless sensor network technology can bring convenience to peoples production and life, so it has been rapidly developed. ZigBee technology has been widely used in wireless sensor networks because it has a standardized protocol. ZigBee technology can be used to build low-cost wireless sensor networks. Location information of the nodes in the network plays an important role in wireless sensor network technology, so how to conveniently get the exact location has become a hot topic in present study. There have been some solutions for positioning problems, such as RSSI-based localization, TOA-based localization, TDOA-based localization, etc. But there are some flaws in these localization technologies, so further studies are still required to better solving the positioning problems in wireless sensor networks.Localization technologies in wireless sensor networks were studied in this paper. First, ZigBee technology and already existing position solutions in wireless sensor networks were introduced, and range-based localization algorithms were focused. Second, a kind of TDOA algorithm which is suitable for wireless sensor networks was proposed. For the localization algorithm, the stability of the clock frequency offset between different chips was used and the TDOA algorithm was combined. In this localization algorithm, the clock frequency offset of crystal oscillator in different chips was taken into account, and the location was calculated after converting time difference of arrived signal to the distance difference. By using the localization algorithm, the positioning problems in the more remote location could be effectively solved, and the time synchronization problem in wireless sensor networks could be avoided.At last, the programs of the ZigBee nodes were modified; the positioning experiments were designed. It was confirmed that the distance difference between the nodes became stable as the sample number increased and the satisfied location results could be achieved. That shows the algorithm is stable and feasible. The algorithm will lay the foundation for better solving the positioning problems in wireless sensor networks in the future.Key words: Wireless sensor networks, ZigBee technology, Time difference of arrive, LocalizationII南京邮电大学硕士研究生学位论文目录目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1研究背景11.2研究的目的和意义21.3本文的研究内容及结构安排3第二章ZigBee 技术的研究52.1ZigBee 技术及其特点124552.1.1 ZigBee 技术的发展52.1.2 ZigBee 协议的结构62.1.3 ZigBee 网络的结构72.1.4 ZigBee 技术的特点82.2ZigBee 芯片 CC2430 简介6782.2.1 CC2430 概述82.2.2 增强型的 8051 内核92.2.3 电源管理介绍 .102.2.4 定时器 1 简介 .112.2.5 射频收发机简介 .122.3ZigBee 精简协议栈89 .132.4本章小结.14第三章无线传感器网络中节点定位技术的研究 .153.1无线传感网定位技术概述10.153.1.1 无线传感网定位相关的基本概念11 .153.1.2 无线传感网定位的性能评价指标12 .163.2无线传感网定位技术的分类12.173.2.1 基于测距与非基于测距的定位算法1314 .173.2.2 集中式与分布式定位算法 .17III3.2.3 绝对与相对定位算法 .183.3无线传感网中基于测距的定位算法1516.183.3.1 包围盒定位法17 .183.3.2 基于 RSSI 的定位法1819202122.193.3.3 基于 TOA 的定位法23.213.3.4 基于 TDOA 的定位法24252627 .223.3.5 基于 AOA 的定位法1028 .243.4本章小结.25第四章基于 TDOA 的无线传感器网络定位算法 .274.1Zigbee 芯片 CC2430 的晶振频率偏移稳定29 .274.2基于 TDOA 的无线传感网定位算法.284.2.1 算法原理 .285.2.2 算法的仿真 .314.3本章小结.34第五章定位算法在硬件平台上的实现及验证 .355.1定位算法在硬件平台上的设计.355.2对 ZigBee 协议栈 msstatePAN 的主要修改.385.2.1 提取时间信息的程序设计 .385.2.2 协调器程序的设计 .395.2.3 锚节点程序的设计 .405.2.4 未知节点程序的设计 .415.3实验数据的分析方法 .415.3.1 根据提示提取数据 .425.3.2 判断数据的完整性 .435.3.3 删除十六进制标志 .435.3.4 利用 MATLAB 对数据进行处理 .435.4实验及结论.445.5本章小结.48第六章全文总结与展望 .496.1全文的总结.496.2以后研究工作的展望.49IV致 谢51参考文献53攻读硕士期间发表的学术论文56V南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景无线传感器网络(Wireless Sensor Networks) 有时也简称为无线传感网，它是由大量的 具有无线通信功能的传感器节点组成，这些传感器节点分布在所要监测的区域内，彼此之间 可以通过无线通信的方式传递信息。通过分析传感器节点传送来的数据，无线传感器网络中 的总控制台可以实现对目标区域的实时监控。无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、 现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，具备非常广泛的应用前景，它的应用和发展 将会给人们生活的各个方面和社会生产的各个领域带来深远的影响。无线传感器网络从传感器网络发展而来。众所周知，传感器技术是信息获取的最重要、 最基本的技术。随着传感器技术的发展，传感器的信息获取也发生了很大变化，从单一的数 据采集向集成化、微型化、智能化和网络化发展，逐渐地出现了传感器网络及其应用。无线 通信技术和嵌入式技术的发展，使得设备之间的通信越来越方便，设备之间传递的数据量也 越来越大。处理器技术的快速发展让芯片的运算速度飞快提升，芯片处理大量数据所用的时 间越来越小。由于各方面技术的快速发展及实际应用的强烈需要，便出现了无线传感器网络 技术。无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，它被认为是当今世界继互联网之后的第 二大网络1。无线传感器网络技术从诞生开始，一直都受到研究人员的关注。大量的理论研究和实际 应用使得该技术得到飞速地发展。目前，无线传感器网络技术已经融入了人们的日常生活并 给人们带来了好处。下面将介绍两种利用无线传感器网络技术解决实际问题的典型应用： 1、智能灌溉技术智能灌溉技术是无线传感器网络技术在环境检测方面的典型应用。地球上的水资源是有 限的，节约用水是全世界的目标。然而在农业上，每年都会由于过度灌溉而浪费大量的水资 源。将无线传感器网络技术与农业灌溉相结合的智能灌溉技术能够很有效地节约农业用水。 将传感器节点放置于土壤中，让它们实时地监测土壤中的水份等环境指标并把信息发送到总 控制台。如果某个区域的土壤水份不足就启动该区域的灌溉系统，直到土壤中的水份含量达 到要求。智能灌溉技术不但能够节约大量的水资源，而且还能减少农业上的人工劳作，节省 人力资源。2、矿井人员定位技术矿井人员定位技术是无线传感器网络在安全监测方面的典型应用。让每个下井采矿的人 和车辆携带一个传感器节点，这样地面的控制部门就可以通过监测传感器节点的位置得到井 下人员和车辆的情况。假如有事故在井下发生，传感器节点可以发出求救信号，地面部门可 以在最短的时间里获得事故现场的人员状况，为后续的救援工作提供帮助。矿井人员定位技 术不但可以减少矿难中人员的伤亡，而且也可以减少财产损失。通过以上两个无线传感器网络技术的典型应用，可以看出，无线传感器网络技术是非常 具有实用价值的技术。该技术还有许多其他方面的应用，在人们对无线传感器网络研究的不 断深入过程中，碰到了许多具有挑战性的问题。定位问题就是诸多问题中的一种，无线传感 器网络通过传感器节点采集数据，那么这些节点的位置信息对于采集的数据是非常重要的。 例如：在智能灌溉中，如果只知道土壤中水份含量少而不知道具体位置，总控制台就不知道 对哪里进行灌溉。井下人员定位技术更是依赖于传感器节点的位置信息。总之，解决好无线 传感器网络中的定位问题能够使无线传感器网络技术运用地更加广泛。ZigBee 技术是一种先进的短距离无线通信技术。该技术具有低成本，低功耗，高可靠性 等特点。利用 ZigBee 技术可以方便地组建无线传感器网路。由于 ZigBee 技术具有规范的协 议及功耗低等优点，从而受到了研究员和企业的青睐。在 IEEE 802.15.4 组织和 ZigBee 联盟 的推动下，该技术的应用领域非常广泛。通过 ZigBee 技术与其他技术相结合，目前已经实现 了许多具有应用价值的无线传感器网络解决方案。随着基于 ZigBee 技术的应用出现，无线传 感器网络技术开始更加广泛地服务于人们的生活。对于 ZigBee 技术的研究一直都是无线传感 器网络领域中的热门研究，随着研究的深入，无线传感器网络技术将会日趋完善12。1.2 研究的目的和意义不论在理论研究还是在实际应用中，定位问题一直都是人们研究的热点所在。由于运用 无线传感器网络技术的大多数应用中都需要知道节点的位置，所以人们不断地寻找合理的定 位问题解决方案，不断提高定位精度以便于无线传感器网络技术更好地服务于人类社会。到 目前为止，对于无线传感器网络中定位问题已经有了一些比较令人满意的解决方案。但是对 于定位问题的研究还需要不断深入。目前，GPS(全球定位系统)可以算是人们所熟悉的定位问题解决方案，这种定位是利用卫 星对地面上的物体进行位置的确定，该定位技术不但昂贵而且功耗大。无线传感器网络中由 于网络的成本问题、耗电问题及网络中节点之间的距离有限，不能采用 GPS 技术实现定位。 目前，研究人员通过研究设计了一些方案来解决无线传感器网络中的定位问题，这些解决方13案有：基于信号接收强度值(RSSI)的定位技术、基于到达时间(TOA)的定位技术、基于到达时 间差(TDOA)的定位技术和基于到达角度(AOA)的定位技术等。无线传感器网络中已有的针对定位问题的解决方案或多或少都存在着一些缺点。基于 RSSI 定位中，接收信号强度值会随着距离的增长而变得非常不准确，利用该技术的定位只能 解决近距离的定位问题；基于 TOA 定位中，到达时间的测量要求网络具备很好的时间同步3， 这大大增加了网络的开销，从而限制了基于达到时间定位技术的应用；基于 TDOA 定位中， 到达时间差的测量要么需要网络同步，要么需要利用到超声波。如果要求网络同步就会增大 网络的开销，而如果利用了超声波，超声波的传播距离有限，这些问题都限制了基于到达时 间差定位技术的应用；基于 AOA 定位中，到达角度的测量要依赖昂贵的天线，这就制约了 基于到达角度定位技术的应用。综上所述，研究出更好的无线传感器网络定位问题解决方案 仍然是无线传感器网络领域具有挑战性的一项工作，这项研究将直接关系到无线传感器网络 技术的应用领域是否能够更加广泛。1.3 本文的研究内容及结构安排ZigBee 技术是无线传感器网络中已经被广泛使用的技术，它已解决了很多实际问题。本 文是在 ZigBee 技术的基础上研究无线传感器网络中的定位问题。首先介绍了 ZigBee 技术以 及目前无线传感器网络中常用的基于测距的定位技术。接着利用基于 TDOA(到达时间差)定位 技术的原理提出了一种适用于无线传感器网络的定位技术：基于 TDOA 的无线传感网定位技 术。并从仿真的角度验证了该定位技术的可行性，分析了采用该定位技术进行定位所取得结 果的准确性。最后设计实验验证了基于 TDOA 的无线传感网定位技术能够实现，并取得了比较 满意的定位效果。本文的结构安排如下： 第一章为本文的绪论，主要介绍了本文研究的背景、目的以及意义。第二章为 ZigBee 技术的研究，在介绍了 ZigBee 技术之后对 ZigBee 芯片及开源的 ZigBee 协议栈 msstatePAN 作了介绍。第三章为无线传感器网络中定位技术的研究，本章节主要介绍了无线传感器网络中定位 技术及其分类，并着重介绍了基于测距的定位技术。第四章为基于 TDOA 的无线传感器网络定位算法，本章节首先介绍了 ZigBee 芯片 CC2430 之间具有稳定的时钟频率偏移，接着依据已有的研究提出一种基于 TDOA 的无线传感器网络定 位算法，并通过 MATLAB 仿真验证了这种算法的可行性，最后在仿真中得到利用该算法进行定位的效果图。第五章为定位算法在硬件平台上的验证，本章节首先介绍了基于 TDOA 的无线传感器网络 定位算法在实验平台的实现过程，接着介绍了对 ZigBee 协议栈 msstatePAN 的修改，然后介 绍了怎样对实验所得数据进行分析，最后通过实际的实验验证了基于 TDOA 的无线传感器网络 定位算法是可行的，并分析了该算法的定位效果。第六章为全文总结与展望，本章节对本文所做的工作做了总结，接着对接下去要做的工 作进行了介绍。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 ZigBee 技术的研究第二章 ZigBee 技术的研究随着科学技术的快速发展，无线网络技术已经越来越为人们所熟悉。不论是在日常生活 中还是在社会生产中，无线网络技术都能为人们提供方便的服务。为此，无线网络技术成为 当前研究员和学者的热点研究领域，许多生产厂家也关注到无线网络技术的巨大应用前景。 有的无线网络例如移动互联网、无线局域网等需要向用户提供传输速率高，传播距离远的服 务，这些无线网络需要很高的成本和很大的功耗。但是，在诸如工业控制、汽车电子和环境 监测等应用方面，只需提供低成本、低功耗及传输距离较近的无线网络即可，针对这些无线 网络的特点和要求，具有重大应用价值的 ZigBee 技术诞生了。2.1 ZigBee 技术及其特点1245ZigBee 技 术 是 一 种 低 速 无 线 个 域 网 技 术 (Low Rate Wireless Personal Network, LR_WPAN)。该技术具有低能量消耗、低成本和低传输速率等特点，广泛的运用于数据通信量 不大、传输速率低及传输距离短的场合。2.1.1 ZigBee 技术的发展ZigBee 技术的命名来自于人们对于蜜蜂生活方式的观察，当蜜蜂发现有新的食物需要 通知自己的同伴时，就会翩翩起舞，用类似 ZigZag 样子的舞蹈与同伴进行信息的交流。 蜜蜂自身体积小，而且通过 ZigZag 舞蹈能够有效地传递信息，所以人们用 ZigBee 技术代表 能量消耗小、成本低的无线短距离通信技术。2000 年 12 月，电器和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)成立了 IEEE 802.15.4 工作组，该工作组的任务是制定一种低成本、低功 耗且方便使用的无线网络技术。2002 年，ZigBee 联盟成立，该事件标志着对 ZigBee 技术的 研究进入了一个全新的阶段，由于 ZigBee 技术应用前景广泛，ZigBee 联盟不断地得到发展 和壮大。2003 年 11 月，电器和电子工程师协会发布了 IEEE 802.15.4 协议标准，该标准制 定了 ZigBee 技术的物理层和媒体介入控制层协议规范。2004 年 12 月，ZigBee 技术联盟发布 了 ZigBee 协议标准，该标准使 ZigBee 技术具备了统一的协议，方便了人们对于该技术的开 发研究。许多公司和生产商陆续地推出了 ZigBee 产品和开发系统，解决了实际问题。目前， ZigBee 联盟已经得到了飞快的发展和壮大，由一百多家企业和标准化组织组成，ZigBee 技术在工业、农业和医疗等领域实现了典型的应用。在不久的将来，随着研究的深入，ZigBee 技 术将应用到人们生活和社会生产的各个方面。2.1.2 ZigBee 协议的结构ZigBee 协议采用的是四层协议标准，其中每层完成本层的功能并向相邻层提供服务。具 体分层四层架构：物理层(Physical Layer, PHY)、媒体访问控制层(Medium Access Control Sub-layer, MAC)、网络层(Network Layer, NWK)和应用层(Application Layer, APL)。IEEE 802.15.4 标准规定了 ZigBee 的物理层和媒体访问控制层协议，ZigBee 联盟制定了 ZigBee 的 网络层和应用层协议。图 2-1 给出了 ZigBee 协议的结构图。图 2-1： ZigBee 协议的结构图ZigBee 的物理层设置了三个频段，总共划分出了 27 个信道，每个频段上的工作方式都 采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)的方式。通常情况下，一个 ZigBee 设备不能同时兼容这三个频段。第一个频段是 868MHz 频段，数据传输速率为 20kbps， 该频段被欧洲等地区所使用；第二个频段是 915MHz 频段，数据传输速率为 40kbps，该频段 被北美等地区所使用；第三个频段是 2.4GHz 频段，数据传输速率为 250kbps，该频段为全球 通用的频段，我国使用该频段。物理层可以看作是 MAC 层和无线信道之间的接口，该层提供 数据服务和管理服务。通过控制射频收发器从无线信道上收发数据，这是物理层的数据服务。 执行 MAC 层发来的命令，例如：空闲信道评估(Clear Channel Assessment, CCA)、能量检测 (Energy Detection, ED)等，并维护物理层信息库(PHY PIB)，这是物理层的管理服务。媒体接入控制层简称 MAC 层。MAC 层位于物理层之上，该层可以提供数据服务和管理服 务。ZigBee 的 MAC 层中一个重要的特点是采用了免冲突载波检测多路访问(CSMA/CA)机制， 它有效地解决了多个节点争用无线信道时产生的冲突问题。由于 ZigBee 网络中一个设备可能会 从 一 个 网 络 切 换 到 另 一 个 网 络 ， 这 样 就 需 要 进 行 关 联 (association) 和 取 消 关 联 (disassociation)操作，这些操作都是在 MAC 层中进行的。协调器节点发送的信标帧(beacon) 也是在 MAC 层中产生的，它包含本网络的信息，用于网络的同步。除了上述功能之外，MAC 层还计算产生帧校验序列(FCS)，保障了数据在节点之间传输的安全性。ZigBee 的网络层除了具有通用的网络层功能外，还必须具备功耗小、方便用户使用及降 低网络成本等要求。在总体架构上，该层仍然延续了物理层协议和媒体接入控制层协议的思 想，即网络层也能够提供数据服务和管理服务。网络层负责网络的组建，包括协调器节点建 立新网络，路由器节点和终端节点加入网络等。网络层将需要传输的数据加上网络地址信息 发送给 MAC 层，保证了信息的安全到达。网络层还管理路由的选择和维护，ZigBee 设备之间 发送的信息可以通过协调器和路由器实现多跳传输，在传输过程中由网络层选择合适的路由。 网络层还负责发现、记录和报告一跳范围内其他设备。应用层是 ZigBee 协议的最高层，通过该层可以控制整个协议栈的运行，该层由应用支持 子层(Application Support, APS)、ZigBee 设备对象(ZigBee Device Objects, ZDO)、ZigBee 应用框架(Application Framework, AF)、ZigBee 设备模版和制造商定义的应用对象等组成。 应用支持子层为网络层和应用层提供了接口，方便网络层和应用层之间的信息交流。ZigBee 设备对象处于应用支持子层和 ZigBee 应用框架之间，它的主要功能是定义设备的类型，如协 调器、路由器和终端节点，并且根据设备类型提供相应的服务。应用框架指的是 ZigBee 设备 中应用对象所处的环境，它可以为应用对象提供键值匹配服务(Key Value Pair, KVP)或一般 信息服务(Generic Message, MSG)。2.1.3 ZigBee 网络的结构利用 ZigBee 技术可以方便地组建廉价的低速率无线个域网。网络中的成员按照所具备功 能的不同划分成三个不同的种类，即协调器节点、路由器节点和终端节点。协调器节点负责 网络的建立，以及对网络进行相关地配置；路由器节点主要负责维护网络的路由，转发网络 报文让数据正确地抵达目的地；终端节点具备加入和退出网络的功能，终端节点可以发送和 接收数据但不能转发数据包。通常情况下，网络中数目最多的节点是终端节点。有些情况下， 可以根据设备所具备的通信能力将其划分成全功能设备(FFD)或精简功能设备(RFD)。ZigBee 网络的拓扑结构有三种形式：星型网络、网状网络和簇状网络。网状网络是最复杂的网络， 该类网络中任意两个全功能设备之间都可以进行直接通信，可以把它们看作是网络的路由器 节点，可用于转发网络中的数据包。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 ZigBee 技术的研究2.1.4 ZigBee 技术的特点ZigBee 技术是短距离无线通信中的一种技术，人们已经利用它解决了许多实际的问题。 该技术具备很多优点，下面将重点介绍其具备的几个突出的优势。(1)：低功耗。极低的功耗是 ZigBee 相对于其它短距离无线技术的一个鲜明优势。 ZigBee 芯片具备多种电源管理模式，可以有效地对芯片的工作状态和休眠状态进行配置，从 而降低系统功耗，延长电源工作时间。ZigBee 技术的低功耗不仅节约了能源，而且解决了某 些应用中电源续航能力短的难题。(2)：低成本。ZigBee 网络协议较为简单，这就降低了对处理器的要求。通常情况下， ZigBee 芯片的内核一般采用 8051 单片机内核，成本较低。此外， 2.4GHz 频段为全球通用的 工业、科学和医学频段，该频段是免付费、免申请的无线电频段，这就避免了使用无线资源 而付费的问题。(3)：高容量。ZigBee 设备可以构造出星型网络或点对点对等网络，设备在网络中的地 址码可以是 16bit 的短地址或者 64bit 的长地址，从这可以看出 ZigBee 网络具有较大的网络 容量。在一个单独的 ZigBee 网络中，最多可以容纳 65536 个设备。2.2 ZigBee 芯片 CC2430 简介67ZigBee 技术具备低功耗、低成本等优点，便于搭建廉价的无线传感器网络解决实际问题， 从而受到了芯片生产商的青睐。ZigBee 的产品也逐渐地进入了人们的视野。在产品生产初期， ZigBee 芯片主要应用于工业的传感式网络，例如灯光控制等。随着 ZigBee 协议的正式提出， ZigBee 产品得到了快速的发展。目前，具有代表性的 ZigBee 产品生产商有飞思卡尔半导体 公司和 Chipcon 公司(已被 TI 公司收购)。Chipcon 公司生产的 CC2430 芯片实现了嵌入式 ZigBee 应用的片上系统。由于本文采用了 CC2430 芯片，所以接下来主要对该芯片做简单的 介绍。2.2.1 CC2430 概述CC2430 芯片支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议。由于具有超低的功耗及成本，所 以该芯片的市场竞争力很强。市场上广泛地存在三种 CC2430 芯片，即 CC2430-F32/F64/F128， 它们分别表示内置内存的大小是 32KB/64KB/128KB。本文使用的是 CC2430-F128 芯片。该芯 片内部的线路交互方式遵从 IDE 的 IAR 工业标准，可以用 IAR 工具对程序进行修改。CC2430芯片拥有一颗性能强大的 8051 微控制器内核，射频部分集成了 Chipcon 公司生产的 CC2420 射频收发器，具备很高的接收灵敏度及抗干扰能力，8KB 的静态随机存储器方便了在各种供 电模式下对数据的保护。CC2430 芯片拥有 48 个引脚，只需在外围增加少量的元器件就能进 行工作。图 2-2 给出了该芯片的应用电路图。图 2-2： CC2430 工作时的电路图2.2.2 增强型的 8051 内核CC2430 芯片上使用了高性能的增强型 8051 CPU 内核，运行时钟为 32MHz。与标准的 8051 内核相比，该增强型内核使用了不同的指令定时，而且去除了一些无用的总线状态，所以它 的指令处理速度比标准的 8051 内核快得多。除了处理速度加快之外，该增强型的内核还增加了一个数据指针和扩展了 18 个中断源。该内核上包含了 3 个复位来源，分别是：看门狗、复位引脚以及上电复位，拥有 4 个不同的存储空间，即代码存储区、数据存储区、外部数据存 储区和特殊功能寄存器存储区，其中特殊功能寄存器用于控制内核和外部设备。可以通过执行下列步骤使用 CC2430 中的某一中断功能：(1)：设置 IEN0 寄存器中的 EAL 位为 1，表示将要使用某一个中断。需要注意的是，如9果该位被设置为 0，则表示不能使用任何中断。(2)：将中断使能寄存器 IEN0、IEN1 和 IEN2 中的相应位设置为 1，使能相应中断。 (3)：对于外部中断，如果需要设置特殊功能寄存器，则相应的位也要设置为 1。 (4)：在该中断对应的的向量地址上，运行该中断相对应的服务程序。 当中断发生时，CPU 根据中断向量找到对应的中断服务程序所在的地址，然后执行中断服务程序。中断服务程序执行的过程中，通常只能被更高优先级的中断打断，否则中断程序 一直运行到中断服务程序结束处，执行完 RET1 指令，完成中断服务。中断服务程序执行完之 后，CPU 会返回到被中断处开始执行下一条指令。2.2.3 电源管理介绍CC2430 为了实现低功耗运行，使用了不同的工作模式。在不同的工作模式中关闭了相应 的耗电模块，从而达到低功耗的目的。在超低功耗模式下，系统关闭了对模块的供电或者通 过门控时钟和关闭振荡器来避免多余的电源损耗。CC2430 的 4 个电源模式被称为 PM0，PM1， PM2 和 PM3，可以通过设置寄存器 SLEEP 中的 MODE 位来设定芯片的工作模式，之后通过设置 PCON.IDEL 位进入相应的睡眠模式。电源模式中的配置情况如表 2-1 所示。表 2-1： 电源模式中的相关配置电源模式高频振荡器低频振荡器电源稳压器配置情况A： 无B： 32MHz 晶体振荡器 C： 16MHz RC 振荡器A： 无B： 32.753KHzRC 振荡器 C： 32.768KHz 晶体振荡器PM0B，CB 或 C开PM1AB 或 C开PM2AB 或 C关PM3AA关PM0 是芯片工作的全功能模式，CPU、外围电路和 RF 收发机都处于运行状态。数字电源 稳压器是打开的。该模式也称为主动模式。PM0 主要用于正常工作，当芯片处于 PM0 模式时， 可以使能 PCON.IDLE 位使 CPU 从运行转变成停止。在 PM1 模式下，高频振荡器(32MHz 晶体振荡器和 16MHzRC 振荡器)断电不工作。电源稳 压器和低频振荡器正常工作。如果芯片进入 PM1 模式工作，需要运行一个断电序列。当设备 从 PM1 模式进入 PM0 模式，高频振荡器开启，设备将自动运行在 16MHz 的 RC 振荡器上，如果32想让设备运行在 32MHz 晶体振荡器上，必须要使用软件来实现。如果从该工作模式唤醒系统， 可以通过计时器或者其他外部事件。PM2 是较低的功耗模式。当芯片处于 PM2 模式时，上电复位、外部中断、32.768KHz 振荡 器和睡眠定时器这些外围设备运行。在进入 PM2 模式之前，I/O 引脚保持 I/O 模式，其他内 部电路断电。当睡眠时间超过 3ms 时，为了更加省电，不使用 PM1 模式而使用 PM2 模式。如 果从该模式唤醒到 PM0 模式，需要通过复位、外部事件中断或者睡眠计时器。PM3 是最低功耗的模式。在该模式下，所有从电源稳压器取电的内部电路都关闭。内部 电源稳压器和所有的振荡器都关闭。如果从该模式返回 PM0 模式，可以通过复位、外部事件 中断。返回 PM0 模式后，高速时钟重新开始工作。2.2.4 定时器 1 简介定时器 1 是一个支持典型定时器/计数器功能(例如：输入捕获、输出比较和 PWM 功能) 的独立的 16 位定时器。它具有 3 个独立的捕获/比较通道。每个通道使用一个 I/O 引脚。该 定时器广泛地用于控制和测量方面。3 个通道都具备正计数和倒计数功能。总的来说，定时器 1 具备下面的一些特征：3 个捕获/比较通道；上升沿、下降沿或者任 何边沿的输入捕获；设置、清除或者切换输出比较；自由运行，模或者正计数/倒计数操作； 1、8、32 或 128 的时钟分频；在每个捕获/比较和最终计数上产生中断；DMA 触发功能。定时器 1 是一个在每个有效时钟边沿增加或者减少的 16 位计数器。 寄存器位 CLKCON.TICKSPD 设置全局系统时钟的划分，定时器 1 使用 32MHz 晶体振荡器作为时钟源并提 供了一个从 0.25MHz 到 32MHz 的时钟频率。定时器 1 中 T1CTL.DIV 可以对给定的分频值进一 步划分，这个分频值可以为 1、8、32 或 128。因此当使用 32MHz 晶体振荡器作为系统时钟源 时，定时器 1 的最低时钟频率为 1953.125Hz，最高的时钟频率为 32MHz。定时器的通道模式是在每个通道对应的控制状态寄存器 T1CCTLn 中设置，可以被设置成 输入捕获或者输出比较模式。在输入捕获模式下，当一个通道被配置成输入捕获通道时，和 该通道相连的 I/O 引脚则配置为输入。定时器启动后，输入引脚的上升沿、下降沿或者任何 边沿都将触发一个捕获，即 16 为定时器的内容被捕获到相关的捕获寄存器中去。由于通道输 入引脚和内部系统时钟同步，因此输入引脚上脉冲的最小持续时间必须大于系统的时钟周期。 在输出比较模式下，和该通道相连的 I/O 引脚被配置成输出。定时器启动后，对计数器里的 内容和通道比较寄存器 T1CCnH：T1CCnL 的内容进行比较。如果比较寄存器和计数器的内容相 同，则输出引脚置 1，根据由 T1CCTLn.CMP 寄存器的设置情况进行复位或者切换。南