毕业论文--基于ZigBee技术的多路无线抢答器研制

1、基于基于 ZigBeeZigBee 技术的多路无线抢答器研制技术的多路无线抢答器研制 - i - 目目 录录 前言. 2 第 1 章 引言. 3 第 1.1 节 选题依据及研究意义.3 1.1.1. 设计背景 .3 1.1.2. 几种无线技术的比较 .3 第 1.2 节 ZigBee 的技术内容及特点.6 1.2.1. ZigBee 的特点 .6 1.2.2. ZigBee 与 IEEE802.15.4 的联系.7 第 1.3 节 802.15.4 协议架构及其技术特点.8 1.3.1. 物理层 .8 1.3.2. 介质访问层 .9 1.3.3. 网络层 .10 第 2 章 系统原理分析与整体

2、设计.12 第 2.1 节 系统目标. 12 第 2.2 节 系统设计思路.12 第 2.3 节 系统工作原理.12 第 2.4 节 主芯片 CC2430 的特点介绍 .13 第 2.5 节 网络拓扑结构.14 第 3 章 系统硬件设计.15 第 3.1 节 硬件电路和实现.15 第 3.2 节 指示灯电路.15 第 3.3 节 按键电路. 15 第 3.4 节 显示电路. 16 第 3.5 节 节点模块电路（CC2430）.16 第 4 章 软件设计. 18 第 4.1 节 主程序框图.18 第 4.2 节 主控模块程序框图.19 第 4.3 节 从机模块程序框图.19 第 4.4 节 程序

3、代码. 20 第 5 章 试验与分析. 21 第 5.1 节 硬件平台. 21 5.1.1. ZigBee 无线模块 .21 5.1.2. ZigBee 调试模块 .21 5.1.3. 电源接口电路 .22 5.1.4. USB 虚拟 RS-232 接口 .23 5.1.5. DTD243A 测试接口 .23 第 5.2 节 集成开发环境与软件调试.24 第 5.3 节 传输距离测试.24 第 5.4 节 展望. 24 - ii - 结论. 26 参考文献. 27 致谢. 28 附录 1 作品实物图和电路原理图.29 附录 2 部分源程序 . 33 - iii - 基于基于 ZigBeeZig

4、Bee 技术的多路无线抢答器研制技术的多路无线抢答器研制 苏州大学 应用技术学院 09 电子转班级（学号 0916936006） 纪清泉 【摘要】：针对抢答器广泛应用的因素，本系统是在分析比较传统有线抢答器和各种 无线抢答器的基础上基于最新ZigBee 技术而设计的多路无线抢答器。文中分析了采用 ZigBee 技术的优势，及其对基于其他无线技术无线抢答器的改善情况。 文中提出了 ZigBee 无线传感器网络节点设计方案，选用TI（德州仪器）公司的 CC2430 设计了一种低成本、低功耗的无线传感器网络通用节点和具有良好可扩展性的 软硬件平台。文中详细介绍了 ZigBee 技术、ZigBee 协

5、议栈、网络拓扑结构和 zigbee 技术 的优势等。系统以 TI 公司的 CC2430 芯片和模拟电子器件为核心，利用 TI 公司芯片低功 耗低电压工作的特点， 设计的一款最大无线传输距离为 15M 的便携式多路无线抢答器。 本 文介绍了系统的软硬件设计和实现细节。经过实际的调试和运行，验证了本系统的正确性 和实用性。 【关键词】：ZigBee; CC2430; Abstract :In the light of the widespread application of the preemptive reply machine, the multipath wireless preempti

6、ve reply machine is designed on the basis of the analysis and comparison of the traditional wire preemptive reply machine and all kinds ofwireless preemptive reply machine, based on the latest ZigBee technology. The paper formulates the advantage of using the ZigBee technology and its improvement co

7、mpared to the wireless preemptive reply machine adopted other wireless technology. The paper advances the ZigBee wireless transducer network node design project and designs a new wireless transducer with low cost and low consumption choosing the CC2430 of the TI company and a platform of software an

8、d hardware with fine expansibility. The paper also elaborates the ZigBee technology, the ZigBee protocol stack, the network topology and the superiority of the ZigBee technology etc.The system focuses on the CC2430 chip of the TI company and analog electronic instruments to design a portable multipa

9、th wireless preemptive reply machine with a 15m maximum transmission distance making use of the low cost and low consumption characteristic of the chip. The paper introduces the software and hardware design of the system and its implementation details. The physical debug and test validate the correc

10、tness and practicality. Key words: ZigBee; CC2430; 第 1 页 前言前言 ZigBee 这个名字来源于蜜蜂的通信方式， 蜜蜂之间通过跳 Zigzag 形状的舞蹈来相互交 流信息，以便共享食物源的方向、位置、和距离等信息。与其它无线协议相比，ZigBee 无线协议提供了低复杂性、缩减的资源要求。 随着 ZigBee 技术的不断完善，它将成 为当今世界最前沿的数字化无线技术。ZigBee 所具有的低功耗、低成本、低速率和使 用便捷等显著优势，使它必将有着广阔的应用前景。ZigBec 联盟预言在未来的四到五 年内，每个家庭将拥有 50 个 ZigBe

11、e 器件，最后将达到每个家庭 150 个。相信在不久 的将来，会有越来越多的具有 ZigBee 功能的产品进人我们的生活，为我们的生活和工 作带来极大的方便和快捷。 基于最新的ZigBee技术的无线抢答器， 主芯片CC2430整合了业界领先的2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF 收发机 CC2420 以及工业标准的增强型 8051 MCU 的卓越性能， 克服了一般无线抢答器信号传输延时的误差，更能实现比赛公正性。拥有结构简单、 体积小、功能强，电路简单的特点且功耗低可实现便携式，ZigBee 无线抢答器使活动 空间上更自由化。 本文第一章 引言 介绍了课题设计的背景和研

12、究意义，并且对最新的 ZigBee 技术做了简单的介绍，将 ZigBee 技术与其他无线技术优缺点进行比较。 第二章 系统原理分析与整体设计 从系统目标、设计思路、工作原理对该系统设计进行分析。 第三章 系统硬件设计 从模块的角度介绍了系统各个硬件电路设计。 第四章 软件设计 主要从软件流程的角度对系统软件的设计思路进行介绍。 第五章 试验与分析 从硬件平台的建立到软件集成开发环境的使用，对开发平台进行详细介绍。 第 2 页 第第1 1章章引言引言 第1.1节 选题依据及研究意义 1.1.1. 设计背景 系统是在最新的 ZigBee 技术的基础上研制的多路无线抢答器。它是以TI 公司的 CC2

13、430 芯片和模拟电子器件为核心，利用 TI 公司芯片低功耗低电压工作的特点，设 计的一款最大无线传输距离为 15M 的便携式多路无线抢答器。 传统的有线抢答器，线路众多、体积庞大、结构复杂、操作不方便、扩展复杂，活动 场地严重受限制。其缺点概括讲就是不仅消耗大量的人力物力而且操作十分不方便。 基于单片机设计的射频无线抢答器，由一组无线发射器和一个无线接收器、解码器、 单片机以及数码显示器和音响警示电路等组成。 虽然成本也比较低廉但电路比较复杂， 稳定性不高，电路之间信号传输有一定的时间延时和单片机程序顺序执行而带来的微 小误差。 基于传统的有线抢答器实用性差的特点， 设计了基于最新的 Zig

14、Bee 技术的便携式多路 无线抢答器。在从机上设简单的按键和复位键及通信指示灯实现抢答功能，结构简单 方便易操作；在主机上，除了主机的基本电路外，还加了多个数码管用来实现接收结 果的显示和实现相应操作的按键电路。系统采用 ZigBee 技术的原因在于：硬件设计和 软件设计做起来比使用蓝牙技术实现更加简单；低成本；低功耗；传输速率适中；优 良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性； 硬件支持CSMA/CA功能； 数字化的RSSI/LQI 支持强大的 DMA 功能； 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 16 位

15、计时器和 2 个 8 位计时器，拥有强大灵 活的开发工具。系统设计的优势在于：拥有结构简单、体积小、功能强，电路简单的 特点且功耗低可实现便携式，使活动空间上更自由化。 基于综上的比较，该系统的优势明显，拥有研制的价值和广阔前景。 1.1.2. 几种无线技术的比较 (1)、 蓝牙（BlueTooth） 蓝牙（BlueTooth）最早是爱立信在 1994 年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳 机）之间互相通信的无线模块。1998 年，爱立信、诺基亚、IBM 等公司共同推出了 蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。 它的工作频率为 2.4GHz，有效范围大约在 10m 半径内。Blueto

16、oth 列入了 IEEE802.15.1，规定了包括 PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。为对语音和特 定网络提供支持，需要协议栈提供 250kB 系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂 性。另外，Bluetooth 对每个“Piconet” （微微网）有只能配置 7 个节点的限制，制约 第 3 页 了其在大型传感器网络开发中的应用。 (2)、 Wi-Fi（ IEEE802 .11） Wi-Fi（ Wireless Fidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议。 IEEE802 . 11 的最初 规范是在 1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技

17、 术标准，其工作频率也是 2.4GHz。目前，IEEE802 .11 标准还没有被工业界广泛接受。 IEEE802 .11 流行的几个版本包括“a” （在 5.8GHz 波段带宽为 54MBps） 、 “b” （波段 2.4GHz 带宽为 11MBps） 、 “g” （波段 2.4GHz 带宽为 22MBps） 。这种复杂性为用户选 择标准化无线平台增加了困难。Wi-Fi 规定了协议的物理（PHY）层和媒体接入控制 （MAC） 层， 并依赖 TCP/ IP 作为网络层。 由于其优异的带宽是以大的功耗为代价等， 因此大多数便携 Wi-Fi 装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和

18、应用。 (3)、 IrDA 红外线数据协会 IrDA（Infrared DataAssociation）成立于 1993 年。IrDA 是一种利用 红外线进行点对点通信的技术。 IrDA 标准的无线设备传输速率已从 115.2kbps 逐步发 展到 4Mbps、16Mbps。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如 PDA、手机）上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简 单易用成本低廉的特点。IrDA 用于工业网络上的最大问题在于只能在 2 台设备之间 连接，并且存在有视距角度等问题。 (4)、 ZigBee ZigBee（IEEE802.15.4）技术是最近

19、发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低， 被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用 2.4GHz 波段，采用 跳频技术和扩频技术。另外，它可与254 个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动 化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等 领域有很大的发展空间。 几种常用无线传输方式的主要性能比较见表 1 表 1：无线网络标准比较表 第 4 页 图 1.1.2 ：短程无线网络标准 ZigBee 无线技术适合组建 WPAN 网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和 控制信号的传输是非常合适的。 第 5 页 图 1.1.2.1：无线网络标准 ZigB

20、ee 和 802.15.4 标准都适合于低速率数据传输，最大速率为 250K，与其他无线技 术比较，适合传输距离相对较近。 第1.2节 ZigBee 的技术内容及特点 ZigBee 是最新确定的商业名称，在以前曾被发起者以“ HomeRF lite” 、 “Firefly”和 “RF-EasyLink”等命名。 为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，2000 年 12 月 IEEE 成 立了 IEEE802.15.4 工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用，且 复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。 ZigBee 联盟成立于 2001 年 8 月。到目前

21、为止，除了 Invensys、三菱电子、摩托罗拉、 三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有百余家成员企业，并在迅速发 展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP 服务提供商、消费类电子厂商及 OEM 商等， 例如 Honeywell、Eaton 和 Invensys MeteringSystems 等工业控制和家用自动化公司， 甚至还有像 Mattel 之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发 ZigBee 物理和 媒体控制层技术标准的 IEEE802.15.4 工作组。在工业、农业、车载电子系统、家用网 络、 医疗传感器和伺服执行机构等领域， 对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。

22、 它通常对数据吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，简单方便、可以随意使用的 无线装置大量涌现，需要布置大量的无线接入点，而低廉的价格将起着关键作用。所 以 ZigBee 标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线 收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计，这就要求该标准应提供低带 宽、低数据传输率的应用。 1.2.1. ZigBee 的特点 第 6 页 低功耗：由于 ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为 1mW，而且采用了休眠模式， 功耗低，因此 ZigBee 设备非常省电。据估算，ZigBee 设备仅靠两节 5 号电池就可以 维持长达 6 个月到 2 年左

23、右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。 成本低：ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右，估计很快就能降到 1.5 2.5 美 元，并且 ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素。 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为 30ms，休眠激活的时延是 15ms，活动设备信道接入的时延为 15ms。因此 ZigBee 技 术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。 网络容量大： 一个星型结构的 ZigBee 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个主设 备，而且网络组成灵活。 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为

24、需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避 开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了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。 安全：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持 鉴权和认证，采用了 AES - 128 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。 1.2.2. ZigBee 与 IEEE802.15.4 的联系 人们常会把 ZigBee 和 IEEE802.15.4 等同起来，其实两者之间还是有所区别的： ZigBee 完整、充分地利用了 IEEE802.15.4 定义的功能强大的物

25、理特性的优点； ZigBee 增加了逻辑网络和应用软件； ZigBee 基于 IEEE802.15.4 射频标准， 同时 Zig-Bee 联盟通过与 IEEE 紧密工作来 确保一个集成的完整的市场解决方案； 802.15.4 工作组主要负责制定物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层标准， 而 ZigBee 负责网络层和应用层的开发。 图 1.2.1 示意了 ZigBee 的结构和分工。 第 7 页 图 1.2.1：ZigBee 协议栈 ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用软件， 更加适合于产品技术的一致化，利于 产品的互连互通。 第1.3节 802.15.4 协议架构及其技术特点

26、IEEE802.15.4 满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式，定义了单一 的 MAC 层和多样的物理层。 ZigBee 联盟制定了 MAC 层以上协议， 其协议套件由高 层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 1.3.1. 物理层 IEEE802.15.4 提供了图 1.3.1 所示的两种物理层的选择（868 / 915MHz 和 2.4GHz） ， 物理层与 MAC 层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频 （DSSS）技术，降低了数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，以便低作业 周期、低功耗地运作。 图 1.3.1 两种不同

27、的物理层 第 8 页 图 1.3.1：ZigBee 物理信道 2.4G 物理层的数据传输率为250kbps，868 / 915MHz 物理层的数据传输率分别是 20kbps、40kbps。2.4GHz 物理层的较高速率主要归因于基于 DSSS 方法（16 个状态） 的准正交调制技术。来自物理层收敛协议数据单元（PPDU）的二进制数据被依次 （按 字节从低到高）组成 4 位二进制数据符号，每种数据符号（对应 16 状态组中的一组） 被映射成 32 位伪噪音码片，以便传输。然后采用最小移位键控方式 MSKI 对这个连 续的伪噪音码片序列进行调制，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控（O - QP

28、SK）方式调制。868 / 915MHz 物理层使用简单 DSSS 方法，每个PPDU 数据传输 位被最大长为 15 的码片序列（m- 序列）所扩展。不同的数据传输率适用于不同的场 合，如 868 / 915MHz 物理层的低速率换取了较好的灵敏度（ - 85dbm/ 2.4G，- 92dbm/ 868，915MHz）和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数；而 2.4G 物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。 1.3.2. 介质访问层 ZigBeeMAC 层的设计需要考虑到降低成本、容易实现、可靠的数据传输、短距离操 作及非常低的功耗等要求，为此采

29、用了如下所示的简单且灵活的协议： 采用 IEEE 标准 64 - bit 和 16 - bit 短地址； 基本网络容量可以达到 254 节点； 可以配置使用大于 65，000（216）节点的本地简单网络，而且开销不大； 网络协调器、全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）等 3 种指定设备； 简化帧结构； 可靠的数据传输； 联合/ 分离； AES - 128 安全机制； 第 9 页 CSMA - CA 通道； 可选的使用信标的超级帧结构。 IEEE802.15.4MAC 子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和 MAC 命令帧等 4 种帧类 型。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认

30、帧和 MAC 命令帧则用 于 ZigBee 设备间 MAC 子层功能实体间控制信息的收发。广播帧和确认帧不需要接 收方的确认，而数据帧和 MAC 命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要 确认，如果需要确认，并且已经通过了 CRC 校验，接收方将立即发送确认帧。若发 送方在一定时间内收不到确认帧，将自动重传该帧。 这就是 MAC 子层可靠传输的基本过程。MAC 层的通用帧格式如图 1.3.2 所示。 2 帧控制 1 序列号 020 地址信息 变量 净荷 2 帧校验系列 图 1.3.2：帧格式 1.3.3. 网络层 网络层包括逻辑链路控制子层。 802.2 标准定义了 LLC， 并且通用于

31、诸如 802.3、 802.11 及 802.15.1 等 ZigBee 无线通信技术及其应用探讨周怡窹，等 802 系列标准中，而 MAC 子层与硬件联系较为紧密，并随不同物理层的实现而变化。网络层负责拓扑结 构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些不可或缺的 任务。 图 1.3.3：ZigBee 无线网状网络 IEEE802.15.4 标准草案支持多种网络拓扑结构，包括图1.3.3 所示的新型网状网络 （Mesh） 。计算机外围设备等要求低延迟等待接入的应用一般采用星型网络结构，而 第 10 页 其它一些应用，如周边安全等可能要求大面积网状网络的覆盖。多址的形式包括

32、 IEEE 标准 64 位和短地址 8 位。 网络设备类型： 网络协调器：包括所有的网络消息，是 3 种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、 计算机能力强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、 寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 全功能设备： 可以担任网络协调者， 形成网络， 让其它的 FFD 或是精简功能装置 （RFD） 连结，FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 更多的存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。 也可能做终端设备 精简功能设备（RFD） ：RFD 只能传送信息给 FFD

33、 或从 FFD 接收信息。 附带有限的功能来控制成本和复杂性 在网络中通常用作终端设备。 ZigBee 相对简单的实现自然节省了费用。RFD 由于省掉了内存和其他电路，降低了 ZigBee 部件成本，而简单的 8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 第 11 页 第第2 2章章系统原理分析与整体设计系统原理分析与整体设计 系统是基于 ZigBee 技术，一般无线传输距离 10M 到 100M 和低功耗的特点及多元化 的网络拓扑结构设计的一款便携式的多路无线抢答器。系统在完成基本模块的基础上 进行 ZigBee 无线传感技术网络节点的软硬件设计，包括ZigBee 无线发射/接收模块的 设计和电

34、源电路，按键电路，复位电路和显示电路的设计。软件方面进行节点之间的 组网程序设计和抗干扰措施设计，按键设计和显示程序设计等。系统工作原理：各个 节点识别按键状态，如果按键有变化将立即和协调器通信，协调器将第一个接收到的 节点号码显示出来。每个节点只需设计简单的电源电路、按键电路和复位电路。 第2.1节 系统目标 系统欲实现的目标是利用先进的 ZigBee 网络技术设计一款便携式的， 实用的多路无线 抢答器。 第2.2节 系统设计思路 系统是基于 ZigBee 技术一般无线传输距离 10M 到 100M 和低功耗的特点及多元 化的网络拓扑结构设计的一款便携式的多路无线抢答器。系统设计好基础模块后

35、进行 ZigBee 无线传感技术网络节点的软硬件设计。其中基础模块的设计包括 ZigBee 无线 发射/接收模块的设计和 ZigBee 芯片 CC2430 低功耗的特点设计的电源电路， 基本的按 键电路，复位电路和显示电路的设计。以上就是整个电路的硬件电路。 软件方面进行节点之间的组网程序设计和抗干扰措施设计，按键设计和显示程序设计 等。 第2.3节 系统工作原理 节点和协调器之间组网。各个节点识别按键状态，如果按键有变化将立即和协调器通 信， 协调器将第一个接收到的节点号码显示出来。 每个节点只需设计简单的电源电路、 按键电路和复位电路。图 2.3 为系统的原理框图。 第 12 页 按键 按

36、键 节 点 节 点 协 调 器 显示 按键 按键节 点 电源 图 2.3 系统原理方框图 第2.4节 主芯片 CC2430 的特点介绍 系统主芯片 CC2430 整合了业界领先的 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF 收发机 CC2420 以及工业标准的增强型 8051 MCU 的卓越性能，还包括了 8KB 的 SRAM、 大容量闪存以及许多的强大特性。系统采用的是CC2430F128，也就是说芯片拥有 128KB 的闪存。 CC2430 片上系统是高度集成的解决方案，仅需很少的外置元件，且所选用元件 均为低成本型，可支持快速、廉价的 ZigBee 节点构建。CC243

37、0 不仅拥有卓越的射频 性能，包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声和抗干扰能力而且拥有强大的 8 位、 单周期 8051 控制核心。CC2430 可用于 ZigBee 协调器、路由器及终端设备。结合了 TI/Chipcon 业界领先的 ZigBee 协议栈之后，CC2430 被认为是市面上最具竞争力的 ZigBee 解决方案。 CC2430 具有如下特性： 1、 2、 3、 4、 5、 高性能低功耗的 8051 微控制器核； 集成符合 IEEE 802.15.4 标准的 2.4GHz 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； 硬件支持 CSMA/CA 功能； 在休眠模式

38、时仅 0.9uA 的流耗，外部的中断或 RTC能唤醒系统，在待机模 式时少于 0.6uA 流耗，外部中断能唤醒系统； 6、较宽的电压范围（2.03.6V） ； 第 13 页 7、 8、 9、 10、 数字化的 RSSI/LQI 支持强大的 DMA 功能； 集成了 14 位模数转换的 ADC； 集成 AES 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 16 位计时器和 2 个 8 位计时器。 第2.5节 网络拓扑结构 星形网：基本的星形网络拓扑结构是一个单跳（ single_hop）系统,网络中所

39、有无 线传感器网络节点都与基站和网关进行双向通信。基站可以是一台 PC、PDA、专用控 制设备、嵌入式网络服务器，或其他与高数据传输速率设备通信的网关，网络中各节 点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传 输数据。各节点将基站作为一个中间的，使相互之间传输数据或命令。在各种无线传 感器网络之中，星形网整体功耗最低，但节点与基站间传输距离有限，通常ISM 频段 的传输距离为 10M30M。 网状网：网状拓扑结构是多跳（即多次中继）系统，其中所有无线传感节点都相 同，而且直接相互通信，与基站进行数据传输和相互传输命令。这种多次中继系统比 星形网的传输距离远得多，但

40、功耗更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径 上的信息和变化。 混合网：混合网力求兼具星形网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈 性等优点。在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而无线传感器节点则在他们 周围呈星形分布。扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。 第 14 页 第第3 3章章系统硬件设计系统硬件设计 第3.1节 硬件电路和实现 系统的主要芯片 CC2430 为低功耗芯片所需的供电电源仅需(2.03.6V)，所以设计了一 个基于 LM1117的 5V 转 3.3V 的电源电路，如图 3.1 所示。 图 3.1 电源电路 如图所示，3 脚和地为输入加+5V，2 脚输出

41、3.3V 的电压输出 1、2 脚之间加两个 10uf 的极性电容。采用 LM11173.3 的原因在于它有以下优势： 1、 输入范围大于 4.75V 满足要求,可以稳定输出 3.3V。 2、 输入电压范围宽可以满足 4.75V7V 的变化输入。 3、操作温度 0125 度，储存温度-65150 度。 4、电路简单，可靠性高。 第3.2节 指示灯电路 系统为了让实验的效果更明显接了电源指示灯和通信指示灯，当两个节点相互通信即 发送或接收信号时红绿指示灯会交替闪烁，正常情况下，绿灯亮，红灯灭，如图3.2 所示。 图 3.2 指示灯电路 第3.3节 按键电路 系统在设计按键时，进行了软件和硬件的消除

42、抖动设计。软件通过延时再判断的方法 第 15 页 实现按键消抖设计，硬件通过电容缓冲消抖动设计，具体的按键电路如下图所示。 图 3.3 按键电路 第3.4节 显示电路 图 3.4 显示电路 系统在显示电路方面，使用 74LS245 实现段驱动，用三极管实现位驱动。具体的电路 如图 3.4 所示。采用 74LS245 做驱动的优势有如下： 1、供电电压范围：4.75V5.25V，系统 5V 电压可以正常给它供电。 2、操作温度 0 到 70 度满足日常应用。 3、最大输入电压时输入电流 0.1 MA,不能说省电但是至少相对不会太耗电，满足该系 统需求。 第3.5节 节点模块电路（CC2430）

43、第 16 页 公司经典的低功耗产品。 有两种：陶瓷天线和普通天线。 图 3.5 节点模块电路 图 3.5.1 节点模块整体外围电路 块引出常用的引脚。由图中可以看出该模块是低电平复位，供电电压 3.3V 是德州仪器 节点模块的外围电路主要是 RF 发射电路，通过主机控制信号的接收和发送，RF 天线 节点模块主要由：主芯片、电源、地和复位电路组成。该芯片总共有40 个引脚，该模 第 17 页 第第4 4章章软件设计软件设计 第4.1节 主程序框图 主程序框图如图4.1所示,程序通过P0.1的高低电平来判断是作为发送程序或者接收程 序。 第 18 页 开始 初始化 信道选择、 波特率 设置 Y P

44、0.1=1? N 接收方地址分配 调用接收函数 发送方地址分配 调用发送函数 数据打包发送 结束 图 4.1 主程序框图 第4.2节 主控模块程序框图 主控模块作为主要模块，其程序框图如下图 4.2 所示 图 4.2 主控模块程序设计框图 返回 将接收数据送显示 通信灯亮灭 1 次 Y 数据是否正确 N 通信灯保持灭 提取接收数据包 初始化 开始 第4.3节 从机模块程序框图 作为从机的发送程序，其程序框图如图 4.3 所示。 第 19 页 图 4.3 从机模块程序框图 第4.4节 程序代码 见附录 3 第 20 页 第第5 5章章试验与分析试验与分析 第5.1节 硬件平台 5.1.1. Zi

45、gBee 无线模块 本设计开发的射频模块主要由 CC2430、巴伦电路和天线等组成。巴伦电路在天线 系统中起到阻抗变换的作用，无线模块上留有 chip 天线和单极天线两个天线接口，用 于对两种天线的实际效果进行对比测试。电路实物图如图 5.1 所示。 图 5.1 ZigBee 射频模块 5.1.2. ZigBee 调试模块 调试模块主要由在线编程器、LED 状态显示、虚拟 RS232 调试接口等部分组成。 在线编程器根据TI 公司提供的参考设计选用silicon labs 公司的C8051F320 单片机实 现， LED 用于电源、网络强度、信号输出等工作状态的显示。如图 5.1.2 所示。

46、第 21 页 图 5.1.2 ：ZigBee 调试模块 5.1.3. 电源接口电路 图 5.1.3 电源接口电路图 在开发板上提供了两种供电方案： DTD243A 开发系统提供了一个直流电源插座 JP1（内正外负） ，使用直流电源或者 外接电池（512V）为开发系统供电。 第 22 页 通过板上 USB_B 插座 CN1 与电脑的 USB 口连接给 DTD243A 开发系统供电，在 对 DTD243A 模块进行在线编程调试时使用。 注意：这两种供电方案不能同时使用！ ！ ！ 5.1.4. USB 虚拟 RS-232 接口 虽然 RS-232 接口是一种常用的用于同 PC 机或其它设备通信的串行

47、接口，但是现在 的电脑已经逐渐淘汰了 COM 口，尤其是笔记本电脑已经不配串行口了，为了调试方 便，在这个开发板上集成了 USB 口模拟串口的电路 USB210，具体说明可以参考西安 达泰电子 USB210 模块的使用说明。开发套件提供的软件包中已包含了 RS-232 接口 的测试例程，见例程 3 的代码，用户可直接调用，该例程可以用于 DTD243A 模块的 测试，具体步骤在例程文档中介绍。 如果需要使用 DTD243A 的串口，用户也可以通过 JP6 插座连接外部串口。此时注意 不要给 USB210 模块供电。 图 5.1.4 USB 虚拟 RS-232 接口 5.1.5. DTD243A

48、 测试接口 DTD243A 开发系统设计了一个 DTD243A 模块测试区，模块可以直接插在测试座上。 同时引出了模块的 24 根管脚线 CN3 和 CN4。 当采用开发板上的电源给 DTD243A 模块供电时， 将 JP5 的 Pin2 和 Pin3 通过短路块短 接。 如果需要给 DTD243A 模块单独供电，例如外接电池，就可以将 JP5 的 Pin2 与 Pin1 短 接，外接电源通过 JP7 的 Pin1 和 Pin2 引入。如下图所示： 第 23 页 图 5.1.5 DTD243A 测试接口 第5.2节 集成开发环境与软件调试 软件调试主要采用 IAR for MCS-51 集成开

49、发环境进行在线调试。 建立 Zigbee 开发平台分为三个主要部分 安装 IAR Embedded Wordbench for MCS-51 打开协议栈，编译，下载编程，查看协议栈的运行 在线调试仿真，深入理解学习IAR Embedded Wordbench for MCS-51开发环境的使 用。 DTD243A_Demo 板上集成了 CC2430/CC2431 芯片的仿真器。 可与 IAR for MCS-51 集 成开发环境无缝连接，操作方便、连接方便、简单易学，是学习开发Zigbee 终端最好 最实用的开发工具。 通过 USB 接口直接连接到你的电脑，再连到含 CC2430/CC2431

50、 的 Zigbee 终端。具有 代码高速下载，在线调试，断点、单步、变量观察，寄存器观察等功能，实现对 CC2430/CC2431 系列无线单片机实时在线仿真、调试。 第5.3节 传输距离测试 通过两个设备之间点对点通讯程序实现无线传输距离的测试。经过距离测试得出结论 如下：在没有提高功耗只用 3.3V 供电时传输距离在 015M 内信号较为稳定，但是超 过 15M 信号较弱。如果要提高距离就必须提高发射功率。 第5.4节 展望 第 24 页 系统的计划目标都已经实现，虽然这只是一个模型，不能用于真实的抢答现场使用， 但是该系统已经充分验证项目的可行性，因此可以进行优化提高系统实用性。 第 2

51、5 页 结论结论 系统在传输距离和传输信号稳定上，实现抢答器的所有功能，充分验证了项目的可行 性。系统能够实现 15M 范围内的信号稳定传输，节点加入方便可以实现更多支路的抢 答功能。系统不仅有结构简单、体积小、功能强大，电路简单的特点而且实现了活动 空间的自由化，前景相当的理想。微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步， 推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据 处理和无线通信等多种功能。成本也越来越低，因此经济效益很好。因此，拥有无线 传输、低功耗等优点的无线抢答器拥有广阔的前景。 ZigBee 是一个针对传感器网络、 建筑自动化等应用的短距离无线技术规范。 ZigBee 是 近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于 自动控制和远程控制领域，是为满足小型、廉价设备的无线联网和控制而制定的。它 按高度省电要求设计