基于ZigBee的无线温度检测系统设计

存档日期存档编号XXX大学XX学院本科生毕业设计（论文）论文题目基于ZIGBEE的无线温度检测系统设计姓名XXX系别XXX专业XXX班级、学号XXX指导教师XXXXX大学XX学院教务部印制I摘要传统的多点分布式温度检测系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，布线复杂程度和成本也急剧增加，给系统的设计，维护和升级带来了诸多困难。ZIGBEE是一种崭新的近程无线网络通信技术，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的标准，主要适用于自动控制和远程控制领域，。本设计基于ZIGBEE技术，采用CC2430作为温度检测系统芯片，应用24GHZISM波段,满足低成本,低功耗的要求。本设计首先介绍了课题研究的意义，ZIGBEE技术的应用范围以及ZIGBEE技的发展现状。其次，详细介绍ZIGBEE技术低功耗、低成本以及网络容量大等特点和符合ZIGBEE通信协议的硬件开发平台CC2430。最后，完成温度检测系统的硬件设计以及软件流程图的设计。温度检测系统的硬件部分是以CC2430为控制核心，加上一些外围电路组成控制系统，包括A/D转换电路、显示电路、USB接口转换电路等，实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。软件部分主要是传感器，协调器等系统流程图的设计，详细描述整个系统的工作过程。关键词ZIGBEE；CC2430；无线传感器网络；温度采集IIABSTRACTTRADITIONALMULTIPOINTDISTRIBUTEDTEMPERATUREDETECTIONSYSTEMUSINGWIRETRANSMISSION,WITHTHEDISTRIBUTEDNODESINCREASESCEASELESSLY,THEWIRINGCOMPLEXITYANDCOSTSALSOINCREASEDDRAMATICALLY,TOSYSTEMDESIGN,MAINTENANCEANDUPGRADEBRINGSALOTOFDIFFICULTIESZIGBEEISANEWSHORTRANGEWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,INORDERTOMEETTHENEEDSOFSMALLCHEAPEQUIPMENTWIRELESSNETWORKINGANDCONTROLSTANDARDS,MAINLYAPPLICABLETOTHEFIELDOFAUTOMATICCONTROLANDREMOTECONTROL,THEDESIGNISBASEDONZIGBEETECHNOLOGY,USINGCC2430ASTHETEMPERATUREDETECTIONSYSTEMUSING24GHZCHIP,ISMBAND,MEETTHELOWCOST,LOWPOWERREQUIREMENTSTHISPAPERFIRSTINTRODUCESTHESIGNIFICANCEOFTHERESEARCH,THEAPPLICATIONOFZIGBEETECHNOLOGYANDZIGBEETECHNOLOGYANDDEVELOPMENTSTATUSSECONDLY,INTRODUCESZIGBEETECHNOLOGYOFLOWPOWERCONSUMPTION,LOWCOSTANDNETWORKCAPACITYISBIGWAITFORACHARACTERISTICANDTHECOMMUNICATIONPROTOCOLWITHTHEZIGBEEHARDWAREDEVELOPMENTPLATFORMCC2430FINALLY,THECOMPLETIONOFTHETEMPERATUREDETECTIONSYSTEMHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREFLOWDIAGRAMDESIGNTHETEMPERATUREDETECTIONSYSTEMHARDWAREISPARTOFTHECC2430ASTHECONTROLCORE,PLUSIIISOMEPERIPHERALCIRCUITSTOFORMCONTROLSYSTEM,INCLUDINGTHEA/DCONVERSIONCIRCUIT,DISPLAYCIRCUIT,USBINTERFACECONVERSIONCIRCUIT,THETEMPERATUREDETECTION,SOASTOREALIZETEMPERATUREOFVARIOUSSTATEMONITORINGANDOTHERFUNCTIONSTHESOFTWAREPARTISTHEMAINSENSOR,COORDINATORANDTHEFLOWCHARTOFTHESYSTEMDESIGN,DETAILEDDESCRIPTIONOFTHEWORKINGPROCESSOFTHESYSTEMKEYWORDSZIGBEECC2430WIRELESSSENSORNETWORKTEMPERATUREACQUISITIONIV目录摘要IABSTRACTII1绪论111引言112课题背景113课题研究的目的和意义214ZIGBEE的发展现状415本设计的主要工作42ZIGBEE的介绍521ZIGBEE的概述5211物理层（PHY层）6212MAC层6213网络层（NWK层）6214应用层（APL层）7215安全服务提供层（SSP层）822ZIGBEE网络基础8221网络节点类型8222网络拓扑形式823工作模式113温度检测系统总体方案设计1231系统整体结构1232温度采集系统原理134温度检测系统硬件电路设计1541ZIGBEE芯片选择和简介15411ZIGBEE芯片的选择15V412CC2430简介15413CC2430芯片的主要特点16414I/O端口线引脚功能17415CC2430外围电路19416CC2430应用于无线网络节点设计2142节点的硬件设计22421协调器节点的硬件设计22422路由器节点的硬件设计22423传感器节点的硬件设计2343电源供电电路2444传感器电路2445A/D转换电路图2646USB转串口电路图2847显示电路295温度检测系统软件流程图设计3151传感器节点的程序流程图3152协调器的程序流程图3153上位机软件的程序的流程图326开发环境简介3461C51RF3PK开发平台3462IAREMBEDDEDWORKBENCH简介3463上位机的功能简介357总结与展望36致谢37参考文献38附录4011绪论11引言温控系统、冷库温控系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多应用系统中，为了实时地监测不同点的温度，需要多点分布式温度测量系统。传统的多点分布式温度监测系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点。ZIGBEE技术就是一种基于IEEE802154协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，已成为当下较为流行的无线通信技术。本设计意在设计一种基于ZIGBEE的温度检测系统，用以实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。12课题背景信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有蓝牙（BLUETOOTH）、ZIGBEE、WIFI等1。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（BLUETOOTH）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WIFI虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。相比之下ZIGBEE技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点21成立本低ZIGBEE模块的初始成本低，并且ZIGBEE协议是免专利费采2用直接序列扩频在工业科学医疗ISM频段，24GHZ全球、915MHZ美国和868MHZ欧洲，免执照频段。2低功耗由于ZIGBEE的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZIGBEE设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。3低速率。ZIGBEE工作在20250KBPS的较低速率，分别提供250KBPS24GHZ、40KBPS915MHZ和20KBPS868MHZ的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。4时延短ZIGBEE的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15MS，节点进入网络只需要30MS，进一步节约了能源。5网络容量大ZIGBEE可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。6可靠度高为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。7安全ZIGBEE提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单ACL防止非法获取数据以及采用高级加密标准AES128的对称密码,以灵活确定其安全属性。8传输距离远传输范围一般介于10100M之间，在增加RF发射功率后,亦可增加到13KM。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。由于ZIGBEE技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZIGBEE联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。13课题研究的目的和意义ZIGBEE技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免3执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。智能家庭现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设备联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到INTERNET，使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况。ZIGBEE技术提供了家庭智能化的技术支持，在ZIGBEE技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家里布线的烦恼。工业控制工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZIGBEE技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。自动抄表现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十分不方便。而ZIGBEE可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZIGBEE网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZIGBEE进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。医疗监护医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。传感器网络应用传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZIGBEE在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。此外，ZIGBEE技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起，ZIGBEE技术将会扮演更为重要的角色。但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，ZIGBEE技术的大规模商业应用还有待时日，基于ZIGBEE技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在ZIGBEE市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大4多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，体现ZIGBEE优势的网状网络应用少；基于IEEE802154底层协议的应用多，而基于ZIGBEE标准协议的应用少。14ZIGBEE的发展现状ZIGBEE作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型OSI，IEEE8021542003标准定义了下面的两层物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZIGBEE联盟制订。2002年，ZIGBEE联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZIGBEE的产品和解决方案。ZIGBEE联盟于2004年底发布了ZIGBEE协议10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ZIGBEEPRO版本规范。ZIGBEE联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZIGBEE技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZIGBEE这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。15本设计的主要工作本文主要研究了基于ZIGBEE的温度检测系统的设计，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建，以及软件流程图设计。主要工作包括以下几个方面（1）阐述了设计的背景、目的和意义以及目前ZIGBEE研究发展情况。（2）介绍了ZIGBEE的协议栈结构、各层的功能、ZIGBEE的网络节点类型、网络体系结构及工作模式，此外介绍了CC2430芯片及它的外围电路。（3）介绍了本设计的开发环境以及相关的硬件设计。如协调器节点设计、路由器节点设计、转感器节点设计等。（4）软件流程图设计。传感器，协调器等流程图的设计。5（5）对全文进行了总结。2ZIGBEE的介绍21ZIGBEE的概述ZIGBEE是一种新兴的短距离，低速率，低功耗无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有主见的无线电标准，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低的功耗，以接力的方式通过无线电微波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通行效率非常高。ZIGBEE协议是基于IEEE802154标准的3，由IEEE802154和ZIGBEE联盟共同制定。IEEE802154工作组制定ZIGBEE协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC层）协议。ZIGBEE联盟成立用于2002年，定义了ZIGBEE协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。协议栈结构如图21。应用层（含应用接口层）用户安全层网络层ZIGBEE联盟MAC层物理层IEEE802154图21ZIGBEE协议栈结构ZIGBEE协议由物理层PHY、介质访问控制子层MAC、网络层NWK，应用层APL及安全服务提供层SSP五块内容组成。其中PHY层和MAC层标准由6IEEE802154标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZIGBEE联盟的ZIGBEE标准定义。APL层由应用支持层APS，应用框架AF以及ZIGBEE设备对象ZDO及ZDO管理平台组成。211物理层（PHY层）主要功能物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务包括以下四个方面的功能1激活和休眠射频收发器。2信道能量检测。3收发数据。4检测接受数据包的链路质量指示。工作频段和信道分配物理层定义了三个载波频段用于收发数据。三个频段总共提供27个信道，信道的编号从0到26。868MHZ频段一个信道。915MHZ频段10个信道，2450MHZ频段16个信道。212MAC层主要功能MAC层使用CSMACA冲突避免机制对无线信道访问进行控制4，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联ASSOCIATION和退出关联DISASSOCIATION以及MAC层安全。MAC层提供两种服务MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元MPDU。MAC层的主要功能包括以下几个方面1进行信标管理。2信道接入。3保证时隙GTS管理。4帧确认应答帧传送、连接和断开连接。7213网络层（NWK层）主要功能NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE8021542003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体数据服务实体和管理服务实体。网络层的功能有以下几个方面51NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制。2ZIGBEE协调器的网络层还负责建立一个新的网络。3网络发现。4网络形成。5允许设备连接。6断开网络连接。7接收机同步。8信息库维护。214应用层（APL层）ZIGBEE应用层包括应用支持子层APS子层、应用框架AF和ZIGBEE设备对象ZDO。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZIGBEE的应用框架AF为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对KVP服务和报文MSG服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点L至端点240上。ZDO6可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZIGBEE设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。ZDO负责定义设备在网络中的角色例如是ZIGBEE协调器或者ZIGBEE终端设备、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联8215安全服务提供层（SSP层）安全服务提供者SSPSECURITYSERVICEPROVIDER向NWK层和APS层提供安全服务。ZIGBEE协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAPSERVICEACCESSPOINT和管理SAPSERVICEACCESSPOINT。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。22ZIGBEE网络基础ZIGBEE网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZIGBEE标准规定的网络节点7分为协调器（COORDINATOR）、路由器ROUTER和终端节点（ENDDEVICE）。节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。ZIGBEE网络具有三种拓扑形式星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。221网络节点类型1协调器（COORDINATOR）在各种拓扑形式的ZIGBEE网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。2路由器（ROUTER）当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。3终端节点终端节点的主要任务就是发送和接收信息，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。9222网络拓扑形式1星型拓扑星型拓扑是最简单的拓扑形式8，如图22。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。星状拓扑结构有两类一类是中心节点仅完成从节点连通的作用；另一类是，中心节点是有很强处理能力的计算机，从节点是一般的计算机或终端，这时中心节点有转接和数据处理的双重功能。强的中心节点成为各从节点共享的资源，中心节点也可以按储存转发方式工作。协调器路由器图22星形拓扑结构2树型拓扑树型拓扑结构如图23。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。树形拓扑适用于相邻层的通信较多的情况，典型的应用层是最低层节点解决不了的问题，请求中层计算机解决，中层计算机解决不了的问题，请求顶部计算机解决。10协调器路由器终端节点图23树状拓扑结构3网状拓扑网状拓扑如图24。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZIGBEE协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。网状拓扑各节点的距离很长，某些节点间是否用点点线路专线连接，要依据其间的信息流量以及网络所处的地理位置而定。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。部分节点连接的网络必然带来由中继节点转发而相互通信的现象，称此为交换。11协调器路由器图24网状拓扑结构23工作模式ZIGBEE网络的工作模式可以分为信标BEACON模式和非信标NONBEACON模式两种9。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间一般在15MS4MINS之间向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式下，ZIGBEE标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性周期可设置休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15MS。123温度检测系统总体方案设计31系统整体结构本设计所实现的无线温度采集系统以C51RF3PK开发平台为核心，使用了两块表演板，利用芯片自带的温度传感器采集温度值，充分发挥了C51RF3PK开发平台的丰富资源22。在上位机上，采集的温度实时地显示出来，并且通过折线图动态描绘出温度的变化趋势。考虑到可能采集多个节点的温度，上位机可以根据客户要求切换不同节点的温度折线图。为了方便对以往数据的查看，采集到的数据被实时保存到了文档之中。本文总体设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。主协调器的硬件系统中包括CC2430通信模块、键盘电路模块、串口转USB模块、液晶显示模块和电源电路模块等10。主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与PC机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换CC2430模块与PC机的通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电力供电，为主协调器节点提供运行所需的能量。天线CC2430存储器8051MCUA/D转换通用接口LCD模块键盘电路复位电路USB转串口转串口USB电源管理PC图31总体框图13温度传感模块的核心元件为PT100铂电阻，它是正温度系数热敏电阻传感器，线性较好，在0100之间变化时，最大非线性偏差小于05。另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点11。模块框图如图32所示。电源单元激励电路电桥电路放大电路通信单元单片机A/D图32温度传感模块框图32温度采集系统原理本系统由三类节点组成ZIGBEE协调器节点、路由器节点、传感器节点。图33所示是其组成示意图，其中ZIGBEE协调器是分布式处理中心，即汇聚节点。多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点会先把数据传给汇聚节点，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。协调器节点可以与多个传感器节点通信，这样可以使本系统同时监测多个区域，何时检测哪个区域通常由用户通过协调器节点来控制。当被检测区域的障碍物较多或者协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的稳定性。当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。14上位机138规范化88491367511101223规范化881仓库2仓库1ZIGBEE协调器节点；2，3路由器节点413传感器节点图33温度采集系统示意图154温度检测系统硬件电路设计41ZIGBEE芯片选择和简介411ZIGBEE芯片的选择现在的ZIGBEE芯片包括单芯片和ZIGBEE射频芯片两种芯片厂商提供的主力ZIGBEE射频芯片在性能上大同小异。比较流行的FREESCALE的MC13192和CHIPCON的CC2420以及EMBER公司的芯片，它们在性能上基本相同，都支持IEEE802154协议。射频芯片通过SPI接口与MCU相连，由MCU进行控制。所谓单芯片，就是一个芯片上集成了ZIGBEE射频部分和MCU18。以CHIPCON公司的CC2430为例，他将CC2420芯片与一个51单片机集成在同一篇芯片上，其体积与一个CC2420芯片差不多。从应软件开发的角度来看，选择CC2430或者选择CC2420外加一个带有SPI接口的单片机，软件设计是没有太大区别的，尤其是MAC层以上是完全相同的。但从硬件开发的角度来看，单芯片方案却比双芯片方便很多。在双芯片方案中，MCU和射频芯片之间用SPI接口相连，增加的布线的复杂性。而在高速PCB设计上，任何额外的布线和芯片数目的增加，都会对系统的正常工作产生影响，必须谨慎地选择芯片布置的位置和走线。因此增加了PCB设计和调试的复杂性。从成本上看CC2430和CC2420价格接近，但使用CC2420时需外加一个单片机，增加了系统的成本。因此综合考虑，CC2430的单芯片解决方案是更好的选择。412CC2430简介CC2430是一颗真正的系统芯片SOCCMOS解决方案12。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，及对低成本，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的尺寸只有77MM48PIN的封装，采用具有内嵌闪存的018微米CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。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1632MHZ。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之中，用来支持IEEE802154MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以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。调试接口采用两线串行接口，该接口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包括四个定时器一个16位MAC定时器，用以为IEEE802154的CSMACA算法提供定时以及为IEEE802154的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。CC2430内集成的其他外设有实时时钟；上电复位；8通道，814位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802154MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示LQI和CSMA/CA协处理器。413CC2430芯片的主要特点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、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有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17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。CC2430芯片采用018MCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27MA或25MA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430芯片的主要特点如下131高性能和低功耗的8051微控制器核。2集成符合IEEE802154标准的24GHZ的RF无线电收发机。3优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。4在休眠模式时仅09A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统在待机模式时少于06A的流耗，外部的中断能唤醒系统。5硬件支持CSMA/CA功能。6较宽的电压范围（2036V）。7数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。8具有电池监测和温度感测功能。9集成了14位模数转换的ADC。10带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802154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。11强大和灵活的开发工具。414I/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141可设置为通常的I/O口，也可以设置为外围I/O口使用。2在输入时有上拉和下拉能力。183全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的终端能力。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式。16脚（P1_2P1_7）具有4MA输出驱动能力。89脚（P1_0P1_1）具有20MA的驱动能力。1118脚（P0_0P0_7）具有4MA输出驱动能力。43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）具有4MA输出驱动能力。电源线引脚功能7脚（DVDD）为I/O提供2036V工作电压。20脚（AVDD_SOC）为模拟电路连接2036V的电压。23脚（AVDD_RREG）为模拟电路连接2036V的电压。24脚（RREG_OUT）为25，2731，3540引脚端口提供18V的稳定电压25脚AVDD_IF1为接收器波段滤波模拟测试模块和VGA的第一部电路提供18V压。27脚（AVDD_CHP）为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供18V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18V电压30脚（AVDD_PRE）为预定标器、DIV2和LO缓冲器提供18V的电压。31脚（AVDD_RF1）为LNA、前置偏置电路和PA提供18V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18V电压。36脚（AVDD_RF2）为接收和发射混频器提供18V电压。37脚（AVDD_IF2）为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1819V电压。38脚（AVDD_ADC）为ADC和DAC的模拟电路部分提供18V电压。39脚（DVDD_ADC）为ADC的数字电路部分提供18V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2036V电压。42脚（DCOUPL）提供18V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2036V的电压。控制线引脚功能10脚（RESET_N）复位引脚低电平有效。19脚（XOSC_Q2）32MHZ的晶振引脚2。21脚（XOSC_Q1）32MHZ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，43K1。32脚（RF_P）在RX期间向LNA输入正向射频信号TX期间接收来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_Q232768KHZXOSC的23端口。415CC2430外围电路CC2430芯片需要很少的外围部件的配合就能实现信号的收发功能15。图41为CC2430芯片的一种典型硬件应用电路。20AVDDSOC20AVDDDREG41DVDDDVDDDCOUPLP2_0P2_1P2_2P1_0/LEDP1_1/LEDP1_2P1_3P1_4P1_5P1_6P1_7P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7GNDAVDD_DGUARDDVDD_ADCAVDD_ADCAVDD_IF2AVDD_RF2AVDD_SWAVDD_RF1AVDD_PREAVDD_VCOAVDD_GVARDAVDD_CHPAVDD_IF1RF_PTXRX_SWTTCHRF_NP2_4/XOSC_Q2P2_3/XOSC_Q1XOSC_Q1XOSC_Q2RBIAS1RBIAS2AVDD_RREGRESETNCC2430RREG_OUT7474248464512345689111213141516171810492527282930313536373839403233344344211922262324VDD33VC6100NFC8220NFC501FR368KVDD33VC1010NFVCC18VL222NHL182NHC956PFL318NHC315PFC415PFX232768MHZX132MHZC122PFC222PFR256KR143KC11220NFC7220NFVCC18VVDD33V图中C1，C2为22PF的电容，连接32MHZ的晶振电路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4为15PF的电容，连接32768KHZ的晶振电路，此石英晶振用于休眠时工作，这样就能够降低它的工作损耗。C5为01F的电容，用来去除一些杂波的干扰，从而有效的防止的单片机的错误复位。C6是100NF的电容，C7为220NF的电容，C8为220NF的电容。这些电容用作滤波，去除杂波的干扰使电压能够更加的稳定。电路中使用非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。C9为56PF的电容，电路中非平衡的变压器就是由C9和电感L1，L2，L3以及一个PCB微波传输线路组成的。整个的结构满足RF输入/输出匹配电阻（50）的要求。L1为82NH的电感，L2为22NH的电感，L3是18NH。C10，C11为去耦合电容，用来电源滤波，这样就可以提高了芯片工作的稳定性。偏置电阻器R1和R2分别是43K，56K。R1用来为32MHZ晶体振荡器设置精密偏置电流。图41CC2430基本电路21416CC2430应用于无线网络节点设计系统内ZIGBEE无线传感器网络WIRELESSSENSORNETWORK，WSN是由部署在监测区域的大量的微型ZIGBEE传感器节点即ZIGBEE终端RFD节点和ZIGBEEFFD网络协调器节点组成，通过无线通信方式形成一个无线自组织网络系统17。其应用电路硬件框图如图所示VCCRXDTXDGNDRF_PRF_NCC2430P00LED1LED2、R1GNDANSWPBD1LEDD2LEDR2R3VCCTEXT5432154321TXDRXDRF_PRF_NCC2430P00、R1GNDANSWPBTXDSIP3223RXDCAN、P20P16P15P14P11RSTSDDCLKCSRS、图42RFD节点电路图图43网络协调器电路框图2242节点的硬件设计421协调器节点的硬件设计ZIGBEE协调器节点硬件设计如图44所示，该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。RF的输入输出是高阻和差动的。当使用不平衡天线例如单极天线时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC2430的数字I/O和部分模拟I/O的供电，供电电压为2036V。CC2430可以同时接32MHZ和32768KHZ的两种频率的晶振电路，以满足不同的要求。串口电路用于CC2430将接收到的数据传送给上位机，由于上位机与CC2430的电平不一致，所以需要一个MAX232电平转换电路。RFPPFNRXDTXD天线UARTMAX232电源模块2036晶振32MH32768KHZCC2430422路由器节点的硬件设计路由器节点的主要任务是将不同区域的数据从传感器节点路由到协调器节点，因此，该电路比较简单，该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块和晶振电路组成。图44协调器节点23423传感器节点的硬件设计传感器节点和硬件设计如图33所示，该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC2430芯片本身带有温度传感器，因而本实验直接采用了CC2430的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以扩展出一个温度传感器，如LM94002。1天线电源模块2036晶振32MH32768KHZRFPPFNRXDTXDCC2430天线电源模块2036晶振32MHZ32768KHZZ下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍1信息收集终端即协调器，放置于监控室，完成网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用RS232串口将采集到的数据发送到上位机。2温度采集终端即节点，放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过ZIGBEE无线网络发送到协调器。3上位机位于监控室，完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中，同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势，使其更图45传感器节点24为直观。显示的折线图可以在不同节点之间切换。43电源供电电路220V交流电经过变压器降压后得到9V交流电，然后经过整流桥全波整流，电容滤波稳压后得到稳定的5V直流电源。本设计采用稳压芯片7805来获得所需直流稳压电源。7805的电压输入范围较宽，输入电压在7V36V之间都可实现良好的稳压效果。考虑芯片的热效应及稳压的准确性，所以尽量减少输出电压与输入电压的电压差，同时为了保证电源可以提供足够的功率，电压压差至少要大于3V，所以本系统的输入电压定位9V，足以保证电源所能提供的功率，且芯片不会过热15。D1是整流桥，选用耐压值AC600V电流为2A的KBP206。C1、C2、C3是用来吸收低频脉动和滤波的电容，可以是电压更为平稳。为使直流电源更加稳定，本电路中使用电容C2吸收其他频率成分的谐波。U1是7805稳压芯片，该芯片稳定性、可靠性较高，且能产生稳定额5V直流电源14。C3除了启动吸收谐波的作用外，还可防止出现稳压后的直流电源随后级负载的加重而逐渐降低的情况。除去需给外围电路提供5V直流电源外，ZIGBEE芯片需要33V的直流电压，故需要使用一个三端稳压器把5V电压转换为33V直流电源。本设计中中采用AMS1117芯片，输出电压为33V，输出电流可高达1A。直流电源的供电电路分别如图所示。220V220VT1TRANS1VIN1VOUT3GND2U37805D1C1470FC210FC310FVCCGND25图46直流电源供电电路5VGNDVIN1VOUT3GND2U3AMS1117C422FC5470FVDDGND图4733V直流电源供电电路44传感器电路由于传感器输出的模拟信号比较微弱，所以系统需要将信号进行放大。温度传感器使用的是高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022，该传感器的末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，即温度越高输出电压越低；可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括55MV/、82MV/、109MV/及136MV/。本设计温度传感器灵敏度选择55MV/，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度信号放大电路如图43所示。温度信号放大电路电路设计中要求高输入低输出，故放大电路的前置电阻R1的阻值设为10K。由于运放LM324的输入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即RNRP，RNR1/RF，故R2R1/R3，R583K。依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有UU。电压放大倍数为5。26231411U2ALM324R110KR283KR350KC201F5VIN15VGND2GS01OUT3VDD4GS15Q1LM94022图47温度传感器电路45A/D转换电路图采用的是TLC2543使用开关电容逐次逼近技术完成12为快速A/D转换。一个电位器调节TLC2543基准电压输出。TLC2543与外围电路的连线简单，有3个控制输入端，为CS，输入/输出时钟以及串行数据输入端。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或者3个内部自测电压中的一个。12为数据线分时使用，内部带有精准的参考电源。27AIN0VCCAIN1EOCAIN2I/OCLOCKAIN3DATAINPUTAIN4DATAOUTAIN5CSAIN6REFAIN7RREFAIN8AIN10GNDAIN9A1TLC254312345678JP9CON81234JP7CON4C101FGNDGNDGNDC801FGND123456789101234JP1CON4C11CAPGNDGNDGN