无线传感器网络技术与应用 课件 项目二 ZigBee无线传感器网络入门

无线传感器网络技术与应用：ZigBee版项目2ZigBee无线传感器网络入门课程标准PPT电子课件参考程序代码教学视频资料教材习题参考答案项目目标知识目标技能目标素质目标（1）掌握ZigBee无线传感器模块的芯片选型。（2）掌握ZigBee无线传感器模块的硬件资源。（1）熟悉BasicRF组网实现数据采集的方法。（2）熟悉使用CC2530建立无线串口通信的方法。通过导入案例“传感器故障引发空难事件”，培养严谨的科学态度。

思维导图随着现代微电子、微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）、SoC、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅速发展，传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最基本的技术之一。2.1需求分析2.1.1各层功能简介根据物联网的服务类型和节点等情况，物联网的体系结构主要由物理层、媒体接入控制层、网络/安全层和应用层组成。2.1需求分析2.1.1各层功能简介1.物理层物理层定义了无线信息和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，主要是在驱动程序的基础上，实现数据传输和管理。物理层数据服务从无线信道上收发数据，管理服务包括信道能量监测（EnergyDetection，ED）、链接质量指示（LinkQualilyIndicator，LQI）、载波检测（CarrierSense，CS）和空闲信道评估（ClearChannelAssessment，CCA）等，维护一个由物理层相关数据组成的数据库。2.1需求分析2.1.1各层功能简介2.介质访问控制层介质访问控制层提供了MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC层协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。2.1需求分析2.1.1各层功能简介3.网络/安全层网络/安全层负责设备加入和退出网络，申请安全结构、路由管理，在设备之间发现和维护路由，发现邻设备、存储邻设备信息。2.1需求分析2.1.1各层功能简介4．应用层应用层包括应用支持子层（ApplicationSupportLayer，APS）和ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）。其中，APS负责维持绑定表，在绑定的设备之间传送消息；而ZDO定义设备在网络中的角色，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。2.1需求分析2.1.2最低需求估算①硬件需要8位处理器，如80C51。②软件需要32KB的ROM，最小软件需要4KB的ROM，如CC2430芯片具有8051内核、内存可选择从32～128KB的ZigBee无线单片机系统。③网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表以及与安全有关的密钥存储等。2.2核心板硬件资源2.2.1节点芯片选型单片机按照CPU处理数据的位宽可分为4位、8位、16位和32位单片机。其中8位单片机由于内部构造简单、体格小、成本低等优势，应用最为广泛。4位单片机主要应用于工业控制领域，随着工艺的发展，由于性能较低，逐步退出市场。而16位和32位单片机虽然性能比8位单片机强得多，但由于成本和应用场合的限制，尤其是近年来ARM嵌入式技术的发展，导致它的应用不如8位单片机那么广泛。而16位和32位单片机主要应用于视频采集、图形处理等方面。目前，在物联网领域应用较为广泛的有TI公司的MSP430系列，Atmel公司的AVR系列、51系列，Microchip公司的AVR系列、51系列、PIC系列等。除了单片机含有的外设和数量存在一定的差异外，处理器核的差异是体现这些单片机性能差异的主要原因。本系统采用TI公司的8位单片机CC2530作为核心芯片进行阐述。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介CC2530是用于IEEE802.15.4ZigBee和RF4CE应用的一个真正的SoC解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051CPU、系统内可编程闪存及8KBRAM和许多其他强大的功能。CC2530有4种不同的闪存版本即CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介模块大致可以分为三类：CPU和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（1）CPU和内存CC2530芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线：特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR）、数据（DATA）和代码/外部数据（CODE/XDATA）。它包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（1）CPU和内存内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线把CPU和DMA控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有4个内存访问点，每次访问可以映射3个物理存储器之一：8-KBSRAM、闪存存储器和XREG/SFR寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（2）时钟和电源管理数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。CC2530有5种不同的复位源来复位设备。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（3）外设CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口执行1个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（3）外设定时器1是一个16位定时器，具有定时器/PWM功能。MAC定时器（定时器2）是专门为支持IEEE802.15.4MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（3）外设ADC支持7～12位的分辨率，带宽频率为30kHz或4kHz。DC和音频转换可以使用高达8个输入通道（端口0），输入可以选择作为单端或差分。参考电压可以是内部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。ADC还有一个温度传感输入通道。ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（3）外设串口1（USART0）和串口2（USART1）每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。它们为RX和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用，每个都有自己的高精度波特率发生器，可以将普通定时器空闲出来用作其他用途。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源1．CC2530简介（4）无线电CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，从而可以发出命令、读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。2.2核心板硬件资源2.2.2核心板硬件资源2．选型参考功能配置CC2530CC2531CC25332.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器有有有射频调制模式DSSSDSSS

最大可编程输出功率＋4.5dBmW＋4.5dBmW＋4.5dBmW内置FLASH空间（Byte）32k/64k/128k/256128k/256k32k/64k/96k内置RAM空间8k4k/6kUSB接口（FULLSPEED）无有无ADC有无电池低电压监控不支持支持I2C不支持支持待机消耗电流（UA）1＜1封装QFN40QFN40QFN40IEEE802.15.4支持支持支持标准RF4CE协议栈支持支持支持标准TIMAC协议栈支持支持支持标准SimpliciTI协议栈支持支持支持标准Z-Stack协议栈支持支持不支持2.2核心板硬件资源2.2.3底板硬件资源1．底板电源电路设计GECCC2530F256节点考虑两种供电方式：AA电池供电和USB供电。两节AA电池电压为3V，因而节点不需要专门的升压/降压芯片为IC供电。USB供电方式的电压为4.5～5V，节点采用TI公司的TPS60211升压为其他IC提供3.3V电压。TPS60211输出电流可达400mA，输出100mA时所需最低压降为120mV。2.2核心板硬件资源2.2.3底板硬件资源2．LED电路设计LED主要用于指示电路的工作状态，如加入网络、网络信号良好、正在传输数据等信息。2.2核心板硬件资源2.2.3底板硬件资源3．传感电路设计GECCC2530F256节点的传感器包括温湿度传感器和光敏电阻、温敏电阻。温湿度传感器采用AOSONG公司的DHT11。DHT11将温度检测、湿度检测、信号转换、A/D转换和加热等功能集成到一个芯片上。2.2核心板硬件资源2.2.3底板硬件资源4．按键电路设计按键应用人机交互方法，主要用于复位功能、灯的开关等功能的实现。项目小结①ZigBee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由硬件和软件组成。②单片机按照CPU