基于Zigbee的无线传感器网络平台的设计

本科学生毕业设计基于ZIGBEE的无线传感器网络平台的设计院系名称专业班级学生姓名指导教师职称讲师黑龙江工程学院二一二年六月THEGRADUATIONDESIGNFORBACHELORSDEGREEWIRELESSSENSORNETWORKBASEDONZIGBEEPLATFORMDESIGNCANDIDATESPECIALTYMEASUREMENTNETWORKNODEZIGBEETECHNOLOGY8051MICROCONTROLLERZIGBEEWIRELESSMODULE1第1章引言11概述在当今信息化时代，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件传感器，已经成为各个应用领域，对于普通的传感器而言，它在功能上有很多局限性，如数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、可靠性与稳定性低、低的分辨率与低信噪比。而无线智能传感器已经应用于各个领域，它带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，无线智能传感器具有以下三个优点通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。ZIGBEE/IEEE802154标准把低功耗、低成本作为主要目标，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。目前，基于该技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，通过它来实现无线传输是无线传感网络的新突破。12无线传感器网络的发展目前，无线传感器网络已经引起了世界各国工商界、学术界的极大关注。美国军方方面有C4KISR计划、SMARTSENSORWEB、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等。美国DUSTNETWORKS和CROSSBOWTECHNOLOGIES等公司的“智能尘埃、MOTE”已进入测试使用阶段。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无限传感器系统的方法学和技术问题。EIIKEROYMAN和CEMERSOY，提出了关于涉及多个数据汇集点的问题，其中提及影响相关多个数据汇集点与无限传感器网络生命周期的原因在于数据汇集点所摆放的位置与数据汇集点的数量，其中利用KMEAN算法找出最佳的数据汇集点数量与位置摆放来作为延长无限传感器网络的生命周期的算法依据。康奈尔大学，南加州大学先后提出了新的通信协议，包括谈判类协议、定向发布类协议、能源敏感协议、多路径类协议、传播路由协议和相应的系统软件，针对能耗问题进行了专门的优化，使得无限传感器网络的生存时间也能得到有效的延长。在感2知数据查询处理的研究方面，南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了节能元的计算聚集的树构造算法。我国也开展了这一领域的研究工作，如无限传感器节点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作，提出了以数据为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术，并研制了一个传感器网络数据管理系统。麻省理工学院提出的WSN定位方法可以分为距离相关（RANGEBASED）定位算法和距离无关（RANGEFREE）定位算法两大类。距离相关定位算法通常利用测距技术得到节点间距离，再利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算出未知节点的位置。常用的测距技术包括接收信号强度（RSSI）技术、信号传输时间（TOA）技术、信号到达时间差（TDOA）技术和信号到达角度（AOA）技术。距离无关定位算法利用节点间的连通情况来估测自己的位置。其中一部分距离无关算法采用集中式计算模式，再用优化方法来提高定位精度，如凸规划算法和MDSMAP算法，但是集中计算方式需要网络中有中心节点支持，会导致中心节点通信量大，能量耗尽快，网络瘫痪。绝大多数距离无关定位算法采取分布式计算模式，扩展性好，通信量小。BEHNKE等人提出了质心定位算法和加权质心定位算法，根据ZIGBEE/IEEE802154传感器网络发射接收距离或连接质量为每一个接收坐标分配不同的权重。BEHNKE和TIMMERMANN通过使用连接质量的归一化值推广了WCL机制。SCHUHMANN推导了室内发射接收距离的指数逆相关的固定参数集和对应于与WCL的权重。这些方法假设接收机与发射机的距离不是很远，发射接收距离至少有一个接收器是提前预知的。我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中。国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。2004年，中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目（面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目；2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。3SINKNODE传感器节点传感器汇接节点13无线传感器网络研究方法131ZIGBEE网络设备及网络拓补ZIGBEE网络中可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备（FFD），一种是简化功能的设备（RFD）。在网络中，FFD通常有3种工作状态作为个人区域网络的协调器（PAN）；作为路由器；作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信，而对于RFD，它只能和一个FFD进行通信，故只能作为终端设备。ZIGBEE协调器，即ZIGBEE的个域网协调器，是网络建立的起点，负责网络的初始化，确定个域网标识符和网络工作的物理通道，并统筹短地址的分配。ZIGBEE协调器必须是全功能设备，并且一个网络只有一个协调器。ZIGBEE路由器是一个全功能设备，类似于定义的协调器，在接入网路后，它能获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内，它能允许其他节点加入或者离开网络，分配及收回短地址，路由和转发数据。ZIGBEE终端设备，既可以是全功能设备，也可以是简化功能设备，它只能与其父节点通信，从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。ZIGBEE网络由FFD和RFD组成，网络有两种拓扑结构星型拓扑结构和对等拓扑结构。具体拓扑结构如图11所示。星型拓扑网络是由一个PAN协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个FFD设备，从设备既可以是FFD也可以RFD；对等网络拓扑结构也存在协调器，该网络不同于星型拓扑结构,在该拓扑结构中任何设备只要在其通信范围之内，就可以和其他设备进行通信。图11WSN网络拓补结构132ZIGBEE协议栈根据ZIGBEE联盟公布的ZIGBEE技术标准，各个芯片生产厂家都公布了基于自己数据处理中心4产品ZIGBEE协议栈。有TI公司、AVR公司、MICROCHIP公司等，其中TI公司及MICROCHIP公司开发了源代码开放的ZIGBEE协议栈。本文介绍MICROCHIP公司基于ZIGBEE2006标准的ZIGBEE协议栈。ZIGBEE协议栈采用分层结构，每一层都为其上一层提供一套明确的服务数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点为上层提供一个界面，每个服务接入点都支持一定数量的服务原语来实现所需功能。ZIGBEE协议栈中，各层间数据的传输通过帧来实现，在PAN网络结构中定义了4种帧结构信标帧、数据帧、确认帧及命令帧。不管是那种传输帧，发送时都是自协议栈高层向底层传输，从产生层向下每个协议层都为其增加自己的帧头和帧尾。接收时都是自底层向高层传输，从物理层向上依次去掉每个协议层的帧头和帧尾。133无线网络组网机制新的网络首先由协调器设备建立，启动时协调器搜索附近其他协调器，如果没有发现协调器，它就通过发送NLMENETWORKFORMATIONCONFIRM原语启动一个新的网络建立过程。当建立网络过程开始后，协调器网络层将首先请求MAC层对协议所规定的通道，或由物理层所默认的有效通道进行能量检测扫描设备网络层发送扫描类型参数设置为能量检测扫描MLME_SCANREQUEST原语到MAC层进行通道能量检测扫描。扫描结果通过MLME_SCANCONFIRM原语返回。当网络层管理实体收到成功的能量检测扫描结果后，将以递增的方式对所测量的能量值进行通道排序，并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的通道，选择可允许能量水平的通道有待处理。此后网络层管理实体发送MLME_SCANREQUEST原语执行主动扫描,搜索所有的ZIGBEE设备。为了决定用于建立一个新网络的最佳通道，网络层管理实体将检查PAN描述符确保所给定的个域网标识符不会与所选择的通道的现有标识符参数产生冲突，如果冲突那么可能从给定的通道中选择另外一个通道。如果找到了适当的通道，则将为这个新网络选择一个PAN标识符。一旦选定了PAN标识符，将选择一个等于0X0000的16位网络地址,并且设置MAC层的地址PIB属性,将其设置为该值。分配地址后，将通过MAC层发出MLME_STARTREQUEST原语开始运行新的个域网，NLMENETWORKFORMATIONCONFIRM原语返回网络已经形成的确认。通过NLME_PERMIT_JOININGREQUEST原语允许其他设备与网络连接，该原语允许ZIGBEE协调器或路由器上层设定其MAC层连接允许标志，在一定期间内允许其他设备同网络连接。仅仅只有ZIGBEE协调器或路由器才能企图允许设备与网络连接，如果终端节点设备的网络层管理实体收到该原语时，则返回状态为INVALIDREQU5EST的NLME_PERMIT_JOININGCONFIRM原语NLME_PERMIT_JOININGREQUEST原语激发网络层向MAC层发送MLME_SETREQUEST原语完成MAC层若干属性设置，MAC层通过MLME_SETCONFIRM返回结果，网络层NLME_PERMIT_JOININGCONFIRM返回设置结果，允许设备同网络连接。14本设计的主要内容在成熟的温湿度采集系统的基础上，基于ZIGBEE无线网络及其通信协议，实现数据传输，用ZIGBEE芯片内集成增强型51微控制器对网络节点进行数据的传输控制，使每个网络节点之间以及它们与主节点之间完成良好的通信，能够完成对网络内各个节点的实时监测。（1）通过研究无线传感网络测试平台和工具，提出一整套面向无线传感网络的仿真、测试、监控的理论，形成无线传感网络的测试和监控的理论框架，并应用到实际的网络性能测试和网络管理中。（2）通过该课题的研究和实践，掌握新一代无线传感节点系统的设计理论与方法。包括新型软硬件体系结构、有效的低耗节能及实时并发模型、可靠的安全机制，信号感知和片上系统的设计理论与方法，协同数字信号处理的数据特征提取理论模型和对等网络虚拟测量方法。（3）实现200米以内的无障碍物传输，供电采用电池；具有温度、湿度显示功能，温度测量范围050，测量精度05；湿度测量范围199RH，测量精度2RH；实现点对点通讯，并且能够组成传感网络，各节点之间主从节点之间能够通讯，并具有报警功能。6第2章方案论证21总体方案设计在成熟的温湿度采集系统的基础上。基于ZIGBEE无线网络，实现数据传输的方案主要有三种第一种是MCU和RF收发器分离的双芯片方案，ZIGBEE协议栈在MCU上运行；第二种是集成RF和MCU的单晶片方案；第三种是ZIGBEE协处理器和MCU的单晶片方案。第一种方案是MCU和RF收发器分离的双芯片方案，每个网络节点模块主要由传感器、MCU、RF收发器组成；通过传感器采集回来温湿度的电参量送MCU处理，然后将处理后的数据通过RF收发器发送出去。这一方案实现起来成本较高，而且MCU与RF收发器之间的数据传送较不稳定，在有噪声的环境中易收到干扰，而加上滤波电路又使系统中数据不精确，所以这一方案不适合用于无线传感器网络的设计。第二种方案是ZIGBEE协处理器在MCU上运行，ZIGBEE协议栈框架很大，对单片机的要求也比较高，目前市售MCU成本较低的芯片存储器都不是很大，且没有为运行ZIGBEE协议栈的专门的MCU，况且增加MCU会无形中的增加了成本，给设计带来了不便，所以也不采用这一方案。本设计平台采用上面提到的第三种方案，ZIGBEE协处理器和MCU的单晶片方案，实现单片机和ZIGBEE芯片形成很好的相互通讯关系，并且通过发射模块的MCU外围传感器器件采集回来温湿度电参量通过MCU处理，然后通过与ZIGBEE集成芯片之间的通讯协议将数据发送出去；同时，接收的MCU与ZIGBEE集成芯片也必须形成良好的通讯关系并且能够实现上电就处在接收数据状态，由MCU将收到的数据送到数码管显示，这些环节的是实时进行控制的；从而通过MCU与ZIGBEE协处理器之间的通讯以及ZIGBEE收发芯片之间的通讯实现了无线传感器网络平台的构建，在这其中有几部分是极其应该注意的，例如，构建该平台首先要做的就是进行硬件仿真，将硬件中的各种问题通过仿真环节基本全部解决，第二步就是软件的编写与仿真，通过IAR编译软件在开发板模块上进行仿真。对于传感器网络节点上挂的温湿度传感器实时采集的信息，采用CHIPCON公司生产的ZIGBEE芯片及内部集成的增强型8051微控制器对其进行控制，实现例如温湿度等信息的实时检测，采用温湿度传感器挂接到每个网络节点上来实现对空间中各个环7境区域的检测，ZIGBEE芯片的功耗做到尽可能低，每个节点采用电池供电，主节点上采用LCD或上传至上位机实时显示并实现对每个节点的控制，实现报警功能等。结合以上几点，每个网络节点的结构如图12所示。图12网络节点结构示意图22硬件系统方案论证221ZIGBEE芯片的选择CC2430/CC2431是CHIPCON公司推出的用来实现嵌入式ZIGBEE应用的片上系统。它支持24GHZIEEE802154/ZIGBEE协议。CC2420和CC2430都是TI的第一代ZIGBEE芯片，CC2420只是一个收发器，不带处理功能，CC2430/CC2431具有CC2420RF接收器以及增强性能的8051MCU、8KBRAM等，其增强的8051MCU核的性能是工业标准8051核性能的8倍。本设计采用ZIGBEE2430芯片，提高了处理数据的速度及稳定性。CC2430/CC2431是一颗真正的系统芯片（SOC）CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZIGBEE为基础的24GHZISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能24GHZDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430/CC2431芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZIGBEE射频（RF）前端、存储器和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（TIMER）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WATCHDOGTIMER）、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（POWERONRESET）、掉电检测电路（BROWNOUTDETECTION）以及21个可编程I/O引脚。222温湿度传感器的选择温度传感器的选择AD810需要和高精度ADC配合使用才能得到数据，好处是速度快编程简单，麻烦的是需要校准，电路复杂，成本高。DS30B80保证精度足够，电路简单成本低，但是编程复杂，转换速度慢。根据本设计的实际情况，采用成熟的ZIGBEE芯片内部集成增强型8051单片机ZIGBEE芯片内部集成射频模块温湿度传感器电源模块串口通信模块8DS18B20温度传感器。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在9375MS和750MS内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线界面）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。湿度传感器的选择本设计采用的湿度传感器是由TLC555及外围器件产生的可计数方波以及HS1101湿度传感器组成的湿度测量电路基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。与其他湿度传感器相比HS1101具有全互换性在标准环境下不需校正；长时间饱和下快速脱湿；可以自动化焊接；包括波峰焊或水浸；高可靠性与长时间稳定性；专利的固态聚合物结构；可用于线性电压或频率输出回炉；快速反应时间。23本章小结本章主要对系统总体方案进行了选取，根据实际情况确定了具体部件。这其中包括实现无线传感器网络的关键技术和方法、ZIGBEE芯片的选用、温湿度传感器的选取等等。9第3章硬件设计31主控制器芯片CC2430简介CC2430是一颗真正的系统芯片（SOC）CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZIGBEE为基础的24GHZISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能24GHZDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZIGBEE射频（RF）前端、存储器和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（TIMER）、AES128协同处理器、看门狗定时（WATCHDOGTIMER）、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（POWERONRESET）、掉电检测电（BROWNOUTDETECTION）以及21个可编程I/O引脚。1、CC2430芯片的主要特点如下（1）高性能、低功耗的8051微控制器内核；（2）适应24GHZIEEE802154的RF收发器；（3）极高的接收灵敏度和抗干扰性能；（4）32/64/128KB闪存；（5）8KBSRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；（6）强大的DMA功能；（7）只需极少的外接元件；（8）只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小；（9）掉电方式下，电流消耗只有09A，外部中断或者实时钟能唤醒系统；（10）挂起方式下，电流消耗小于06A，外部中断能唤醒系统；（11）硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取（CSMACA）；（12）电源电压范围宽（2036V）；（13）支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示（RSSI/LQI）；（14）具有8路输入814位ADC；（15）2个支持多种串行通信协议的USART；10（16）1个IEEE80254媒体存取控制（MAC）定时器；（17）1个通用的16位和2个8位定时器；（18）21个通用I/O引脚，其中2个具有20MA的电流吸收或电流供给能力。2、CC2430芯片集成的CPU的主要特性针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHZ。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核具有8倍的标准8051内核的性能。CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32K、64K或128K字节的片内FLASH块提供在电路可编程非易失性存储器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作一个32MHZ晶体振荡器，一个16MHZRC振荡器，一个可选的32768KHZ晶体振荡器和一个可选的32768KHZRC振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802154MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试界面采用两线串行界面，该界面被用于在电路调试和外部FLASH编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。CC2430增强型8051内核使用标准8051指令集，具有8倍的标准8051内核的性能。这是因为（1）每个时钟周期为一个机器周期而标准8051中是12个时钟周期为一个机器周期。（2）除去被浪费掉的总线状态的方式。大部分单指令的执行时间为1个系统时钟周期。除了速度的提高，CC2430增加内核还增加了二个部分另一个数据指针以及扩展18个中断源。CC2430的8051内核的目标代码兼容标准8051的微处器。换句话说,CC2430的8051目标码与标准8051完全兼容，可以使用标准8051的汇编器和编译器进行软件开发，所有的CC2430的8051指令在目标码和功能上与同类的标准的8051产品完全等价。不管怎样讲，由于CC2430的8051内核使用不同于标准的指令时钟，所用的晶振也不尽相同，因此在编程时候与标准的8051代码略有不同，也是因为外设如定11时器等不同于标准的8051。311I/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（1）可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。（2）在输入时有上拉和下拉能力。（3）全部21个数字I/O口引脚都具有回应外部的中断能力。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。CC2430的引脚如图31所示，管脚功能表见表31所示。DV047P/C69RES_NGAFTXWKMBIUC图31CC2430的引脚图表31引脚功能表管脚名称管脚号管脚功能DVDD7为（I/O）提供2036V工作电压AVDD_SOC20为模拟电路连接2036V的电压AVDD_RRE23为模拟电路连接2036V的电压RREG_OUT24为25，2731，3540引脚端口提供18V的稳定电压12AVDD_IF125为接收器、波段滤波器、模拟测试模块提供18V电压续表31引脚功能表AVDD_CHP27为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供18V电压VCO_GUARD28VCO屏蔽电路的报警连接端口AVDD_VCO29为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供18V电压AVDD_PRE30为预定标器、DIV2和LO缓冲期提供18V的电压AVDD_RF131为LNA、前置偏置电路和PA提供18V的电压TXRX_SWITCH33为PA提供调整电压AVDD_SW35为LNA/PA交换电路提供18V电压AVDD_RF236为接收和发射混频器提供18V电压AVDD_IF237为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供18V电压AVDD_ADC38为ADC和DAC的模拟电路部分提供18V电压DVDD_ADC39为ADC的数字电路部分提供18V电压AVDD_DGUARD40为隔离数字噪声电路连接电压AVDD_DREG41向电压调节器核心提供2036V电压DCOUPL42提供18V的去耦电压,此电压不为外部电路所使用DVDD47为I/O端口提供2036V的电压RESET_N10复位引脚,低电平有效XOSC_Q21932MHZ的晶振引脚2XOSC_Q12132MHZ的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚RBIAS122为参考电流提供精确的偏置电阻RBIAS226提供精确电阻，43K，1RF_P32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RF_N34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。XOSC_Q2P2_34332768KHZXOSC的23端口XOSC_Q1P2_44432768KHZXOSC的24端口P1_2P1_716I/O，具有4MA输出驱动能力P1_0P1_189I/O，具有20MA输出驱动能力P0_0P0_71118I/O，具有4MA输出驱动能力13P2_4P2_14346I/O，具有4MA输出驱动能力312复位CC2430有3个复位源（1）强置输入引脚RESET_N为低电平；（2）上电复位；（3）看门狗复位。复位后的初始状况如下I/O引脚设置为输入、上拉状态；CPU的程序计数器设置为0X0000，程序从这里开始运行；所有外部设备的寄存器初始化到它们的复位值；看门狗禁止。313存储器如表32存储器功能表。表32存储空间及功能表存储空间名称存储空间位数功能及访问方式代码（CODE）16位只读存储空间用于程序存储数据（DATA）8位可存取存储空间可以直接或间接被单个的CPU指令访问。该空间的低128字节可以直接或间接访问，而高128字节只能够间接访问外部数据（XDATA）L6位可存取存储空间通常需要45个CPU指令周期访问特殊功能寄存器（SFR）7位可存取寄存器存储空间可以被单个的CPU指令访问314振荡器和时钟CC2430有一个内部系统时钟。该时钟的振荡源既可以用16MHZ高频RC振荡器，也可以采用32MHZ晶体振荡器。时钟的控制可以由设置特殊功能寄存器的CLKCON字节来实现。系统时钟同时也可以提供给8051所有外部设备使用。振荡器可以选择高精度的晶体振荡器，也可以选择低成本的RC振荡器。注意，运行RF收发器，必须使用高精度的悬体振荡器。315无线模块一个基于IEEE802154的CC2430无线收发模块无线核心部分是一个CC2420射频收发器。CC2430的无线接收器是一个低中频的接收器。接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。在中频2MHZ中，当ADC模数转换时，输入/正义调相信号被过滤和放大。CC2430的数据缓冲区通过先进先出（FIFO）的方式来接收128位数据。使用先14进先出读取数据需要通过特殊功能寄存器界面。存储器与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。CRC校验使用硬件实现。接收信号强度指标（RSSI）和相关值添加到帧中。在接收模式中可以用中断来使用清除通道评估（CCA）。CC2430的发送器是基于上变频器。接收数据存放在一个接收先进先出（区别于发送先进先出）的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过数模转换把数字信号转换成模拟信号发送出去。CC2430无线部分主要参数如下1工作频带范围240024835GHZ；2采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式；3数据速率达250KBPS，碎片速率达2MCHIP/S；4采用OQPSK调制方式；5高接收灵敏度（94DBM）；6抗邻频道干扰能力强（39DB）；7内部集成有VCO、LNA、PA以及电源稳压器；8采用低电压供电（2136V）；9输出功率编程可控；10IEEE802154MAC硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、10BIT的CRC校验、电源检测、完全自动MAC层保护（CTR，CBCMAC，CCM）。低中频（10WIF）接收是CC2430的特性之一。CC2430收到的RF信号被低噪声放大器（LNA）放大，并且将收到的同相信号和正交相位信号（1/Q）降频转换为中频（IF）信号。过滤掉残余在中频（2MHZ）信号中的1/Q信号后，放大中频信号。然后通过ADC数字化、自动增益控制，以及通道的过滤、解扩频（DESPREADING）、符号相关（SYMBOLCORRELATION）和字节同步（BYTESYNCHRONIZATION）等，所有这些都通过数字逻辑完成。检测出帧开始定界符，就产生中断。CC2430将收到的数据缓冲存入128字节的先进先出（FIFO）接收（RX）队列。用户可以通过特殊功能寄存器来读这个RXFIFO队列。建议采用存储器直接存取（DMA）来传送存储器和FIFO之间15的数据。CC2430通过硬件校验CRC，将接收信号强度指示器（RSSI）的相关数值附加到数据帧之中；在接收模式下，通过中断提供空闲通道评估（CCA）。CC2430的发送基于直接升频转换。数据存放在128字节的TXFIFO之中（与RXFIFO彼此分隔）。要发送的帧引导序列和帧开始定界符由硬件产生。每个符号（4位）使用IEEE802154扩展序列扩展为32位码片序列，输出到DAC之中。经过DAC变换的信号，通过模拟低通滤波器送到90，I/Q相移升频转换混频器口无线射频（RF）信号通过功率放大器（PA）馈送到天线。由于采用了内部发送/接收（T/R）开关电路，天线的界面以及匹配很容易实现，RF为差动连接。单极天线可以使用不平衡变压器。通过外接直流通路，连接引脚TXRX_SWITCH到引脚RF_P和引脚RF_N，实现功率放大器和低噪声放大器的偏置。频率合成器包括一套完整的片上电感器电容器（LC）、电压控制振荡器（VCO）和一个90度分相器，用来产生同相信号、正交相位信号（I/Q）和本地振荡器（LO）信号。在接收模式下争这些信号到达降频转换混频器；而在发送模式下，这些信号到达升频转换混频器。电压控制振荡器（VCO）工作频率范围是48004966MHZ。分相I/Q时，频率一分为二。数字基带包括支持帧操作、地址识别、数据缓冲、CSMACA选通处理器和MAC安全等。片上稳压器提供校准的18V供电。316IEEE802154调制方式图32在模块层次上对调制和扩展功能进行了描述，每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首先传送。对于多字节域，也是低位字节首先传送。每个符号映射到一个超过16位的伪随机序列，即32位片码序列。片码序列以2MCHIP/S的速率传送。对于每个符号争首先传送低位片码C。图32信号调制过程调制方式为偏移正交相移键控（OQPSK），具有半正弦片的形状，相当于最小相位频移键控（MSK）。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相（I）通道和正交相位（Q）通道传送。每个通道占用半个片码偏移周期。传送的比特流（最低有效位先传）比特符号映射符号片码序列映射偏移正交相移键控（OQPSK调制已经调制好的信号16317选通命令CPU使用了一系列选通命令来控制CC2430的无线操作。选通命令可以看成是单字节指令，每条命令用来控制某个无线模块的功能。这些命令可以实现使能频率合成器、使能接收模式、使能发送模式，以及其他功能。为无线模块的功能定义的选通命令共计9条，这9条命令可以单独使用，也可以组合为简单的程序下达给无线模块。所有从CPU到无线模块的选通命令都通过CSMACA选通命令处理器（CSP）下达。318FIFO存取TXFIFO和RXFIFO可以通过SFR寄存器进行存取，写寄存器RFD就是写TXFIFO，读寄存器就是RFD就是读RXFIFO。注意，RFSTATUSFIFO和RFSTATUSFIFOP仅仅用于RXFIFO，可以通过下达选通命令SFLUSHTX清除TXFIFO，同样，也可以通过下达选通命令SFLUSHRX清除RXFIFO。319DMA在绝大多数实际应用中，推荐使用存储器直接存取（DMA）在存储器和芜线模块之间传送数据，RADIODMA触发与无线模块有关，该触发支持DMA控制器。下列两个事件使该触发有效1当第一个数据存入RXFIFO，即当RXFIFO从空状态变成非空状态时；2当数据通过SFR寄存器的RFD，从RXFIFO中读出时。3110接收模式在接收模式中，当帧开始定界符SFD全部收到之后，中断标志RFIF。IRQ_SFD置1，而且发出RF中断请求。如果地址识别已经禁止或者已经获得成功，则RFSTATUSSFD位清0。当RXFIFO中有数据时，RFSTATUSFIFO置L。存放在RXFIFO中的第一小字节是收到的帧长度所在域。也就是说，当长度域写入RXFIFO时，RFSTATUSFIFO置1，在RXFIFO变空之前，RFSTATUSFIFO一直置高。RF寄存器RXFIFOCNT存放当前RXFIFO中的字节的数量。当RXFIFO中未读过的字节超过编程设置在IOCFG0。FIFOP_THR中的阈值时，RFSTATUSFIFOP置L，而当地址识别使能时，除非收到的帧通过地址识别，否则，即使17RXFIFO中的字节超过编程设置的阈值，RFSTATUSFIFOP也不会置1。当收到新的包中最后一个字节时，即使RXFIFO中的字节没有超过阈值，RFSTATUSFIFOP也会置1。一旦读出RXFIFO一个字节，RFSTATUSFIFOP就立即清0。当地址识别使能时，如果地址没有全部收到，则数据不能够从RXFIFO读出。这是由于如果地址识别失败，接收帧就会被CC2430自动清除。由于RFSTATUSFIFO只有接收帧通过地址识别才会置1，可以利用这项功能来控制数据的读出。3111FIFO溢出在指定的时间内，RXFIFO最多只能存放128字节。这样，接收帧有可能划分为两种类型一种长度为128字节；另一种长度小于128字节。如果RXFIFO发生溢出，而此时RFERR中断已经使能，则产生溢出中断，并发往CPU；另外，此刻如果RFSTATUSFIFOP为1，则无线模块会将RFSTATUS。FIFO清0。已经在RXFIFO中的数据不会受到溢出的影响，也就是说，收到的帧可以读出。RXFIFO溢出后，需要选通命令SFLUSHRX来使能接收新数据。注意，选通命令SFLUSHRX应当发出两次，以确保RFSTATUSSFD位回到它的空闲状态。发送模式发送期间，RFSTATUSFIFO位和RFSTATUSFIFOP位依然与RXFIFO关联。在数据帧发送期间，RFSTATUSSFD置1，当帧开始定界符SFD全部发送后，RFIFIRQ_SFD中断标志置1，请求RF中断。当完成MAC协议数据单元（MPDU）的发送，或者检测出下溢出（TXFIFO为空）时，RFIFIRQ_SFD中断标志再次清0。此时，如果中断RFERR使能，则该中断即刻发生。32主控制器电路设计ZIGBEE内部的增强型8051单片机具有内置的晶振，但是在此设计中对晶振精度的要求较高，因此需要使用外接晶振来提高时钟的精确度，其晶振的设计方法为以两个27PF的电容，与32MHZ的晶振连接而成。ZIGBEE芯片内单片机为低电平复位，为保证复位所需的时间和稳定复位，在接一个电容，依靠电容的充放电来解决此问题。除以上所说还要在供电电源的两端加上104瓷片电容，以除去电压中的毛刺。加上100UF电容以保证电源电压的稳定ZIGBEE8051单片机的外围电路连接如图33所示。18DV1204375P8/C69RES_NGAFTXWKMBIUCNOHLPY图33ZIGBEE最小系统电路图33传感器电路设计331温度传感器电路设计本系统的温度传感器采用DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。这是世界上第一片支持“一线总线”界面的温度传感器。选用DS18B20为温度传感器的电路十分简洁，9位温度信号经一条总线，直接传递给单片机进行处理。电路如图34所示。图34DS18B20与单片机的连接19332湿度传感器电路设计本设计采用的湿度传感器是由TLC555及外围器件产生的可计数方波以及HS1101湿度传感器组成的湿度测量电路基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。特点全互换性，在标准环境下不需校正；长时间饱和下快速脱湿；可以自动化焊接；包括波峰焊或水浸；高可靠性与长时间稳定性；专利的固态聚合物结构；可用于线性电压或频率输出回炉；快速反应时间。其自身电路及与单片机连接电路如下TRIG2Q34CVOLT5H6DS781U_P0MK图35湿度传感器与单片机的连接34串行通信电路设计通用同步和异步串行接收器和转发器（USART）是一个高度灵活的串行通讯设备。主要特点（1）全双工操作（独立的串行接收数据和发送数据寄存器）；（2）支持异步或同步操作；（3）主机或从机提供时钟的同步操作；（4）高精度的串列传输速率发生器；（5）支持5，6，7，8或9位数据位和1位或2位停止位的串行数据帧结构传输方式；（6）由硬件支持的奇偶校验位发生和校验；（7）数据过速检测；（8）帧错误检测；（9）噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器；20（10）三个独立的中断发送结束中断，发送数据寄存器空中断，以及接收结束中断；（11）多处理器通讯模式；（12）倍速异步通讯模式。通用串行界面的应用包括RS232标准结合实现短距离的低速率通信。到现在为止，串口通信还是个人计算机的常用设备最简单、最常用的通信方式。RS232界面定义及连线RS232界面又称之为RS232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。“RS232”是其最明确的名称。在计算机世界中，大量的界面是串口或异步口，但并不一定符合RS232标准，但我们也通常认为它是RS232口。严格地讲RS232界面是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个界面，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。RS232信号的电平（12V5V，5V12V）和单片机串口信号的电平（05V）不一致，必须进行二者之间的电平转换。在此使用的集成电平转换芯片MAX232为RS232C/TTL电平转换芯片。它只使用单5V为其工作，配接4个01UF电解电容即可完成RS232电平与TTL电平之间的转换。转换完毕的串口信号TXD，RXD直接和ZIGBEE的串行口连接。RS232界面中2个数据信号发送P03_TXD，接收P02_RXD；1个信号地线GND。其电路如图36所示。5CD_3RPTX6INOUTGNU7MA图36单片机通过串口与PC机的连接35电源电路设计351ZIGBEE芯片供电电路设计ZIGBEE芯片的典型工作电压为33V，为保证温湿度传感器能有足够的驱动电压，以提高数据精度，传感器部分应该选用5V供电。21控制端整体电路选择使用33V供电。为了减小控制端硬件的体积，选用9V电池为整个电路进行供电。9V电压通过一个电源转换芯片7805转化为5V给各传感器供电，再将5V电压接电压转换芯片1117转换成33V给ZIGBEE芯片供电，为了能得到稳定的电压在电源的输入和输出端都加上了滤波电容以滤出纹波。33V电源模块原理图如图37所示。104C2UF3VNTUAMS7_5D图3733V电源供电电路352其他模块电源电路设计因为目前现用传感器大部分都是由5V电压供电，所以这里应加上对传感器以及对MAX232芯片供电的电源，一般采用5V电压。每个网络节点采用9V电池供电，由电源芯片7805转换成5V给这些模块供电。5V电源供电电路图如图38所示。VIN5VU4780512P3HEADER2DIODE1N4007C401UF100UFC3100UFC6C501UFVCC_5V图385V电源供电电路36本章小结本章介绍了本设计中硬件电路的设计，包括对ZIGBEE芯片内部单片机的介绍，其中有包括ZIGBEE芯片内部增强型8051微控制器的介绍和无线收发模块的介绍，这两者是组成无线传感器网络节点的最基本要素；介绍了单片机接口的电路设计，包括传感器电路的设计，它主要分为以DS18B20芯片为主的温度检测电路的设计和以HS1101湿度传感器、555电路为主的湿度检测电路的设计；介绍了以MAX232芯片为主的串口通信电路的设计和电源电路的设计，其中电源电路的设计有两部分，一部分是5V电源电路的设计，另一部分是33V电源电路的设计。22第4章软件设计硬件电路设计完成以后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。系统软件分为主节点程序设计和从节点程序设计。他们当中有两个共同点，就是都有发送、接收子程序和数据读取子程序。其中主节点还要承担将接收的数据发送至上位机。41主节点主程序设计在无线传感器网络平台中，每个网络节点都必须承担发送、接收数据，而主节点还要承担将接收到的数据上传至上位机的功能。程序流程图如图41所示。图41主节点主程序流程图NYNY开始MCU、无线模块初始化传感器采集数据无线模块是否为发送数据模式配置FIFO、启动无线模块接收数据数据送上位机显示配置FIFO、启动无线模块判断节点号是否发送完发送数据2342从节点主程序设计从节点主要承担的任务是完成采集当前外部的温湿度，将采集回来的温湿度量通过无线模块发送出去，当外部有其他从节点温湿度量要进入该从节点时，还要进行数据的接收。从节点主程序流程图如图42所示。图42从节点主程序流程图43数据发送子程序设计发送数据子程序所需要完成的任务是将MCU为我们准备好的数据进行编码发送。这里需要注意的是可编程设置的帧引导序列的长度仅用于发送模式，并不影响接收模式。帧引导序列的长度设置不得短于缺省值。注意，在引导序列中的28个零符号YNYYNN开始MCU初始化，无线模块初始化传感器采集数据无线模块是否为发送数据模式配置FIFO、启动无线模块发送数据是否发送完配置FIFO、启动无线模块接收数据是否接收完判别节点号存入对应数据区24是IEEE802154所需的，它们包含在寄存器SYNCWORDHSYNCWORDL之中。因此CC2430的帧引导序列只有6个符号长度，两个附加的零符号在寄存器SYNCWORDHSYNCWORDL之中。这样，CC2430就能够适应IEEE802154协议。程序流程图如图43所示。图43发送数据主程序流程图44数据读取子程序设计读取传感器数据程序需要完成器件的初始化和当采集外部环境变量送MCU处理等功能。其中包括读DS18B20传送的温度量和湿度传感器读来来的频率值，经过NY等待CC2430无线模块空闲关闭全局中断程序入口等待RSSI有效使能CC2430发送引导序列向CC2430写入包内容等待CC2430发送完毕等待ACK发回是否需要ACK回发返回25MCU运算后，换算成相对湿度。其中DS18B20是数字单总线