本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于ZigBee的無(wú)線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論文題目： 基于zigbee的無(wú)線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專業(yè)年級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 指導(dǎo)教師： 職稱 講 師 2008年06月03日目 錄題 目i摘要及關(guān)鍵詞i1 前言11.1 課題的提出11.2 方案論證與比較11.3 zigbee技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景11.4 zigbee技術(shù)特點(diǎn)21.5 zigbee技術(shù)概述22 zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理32.1 zigbee協(xié)議棧概述32.2 ieee802.15.4通信層52.2.1物理層phy52.2.2 介質(zhì)接入控制子層mac72.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)層82.4 zi

2、gbee應(yīng)用層102.4.1 應(yīng)用層概述102.4.2 zigbee應(yīng)用支持子層112.4.3 zigbee profile112.4.4 zigbee設(shè)備對(duì)象zdo113 系統(tǒng)硬件部分介紹123.1 總體框圖123.2 各功能模塊硬件介紹123.2.1 無(wú)線收發(fā)模塊介紹123.2.1.1 cc2430主要特征外設(shè)123.2.1.2 cc2430無(wú)線收發(fā)143.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊介紹143.2.3 顯示模塊介紹164 軟件設(shè)計(jì)164.1 數(shù)據(jù)發(fā)送、接收164.1.1 建立網(wǎng)絡(luò)164.1.2 允許加入網(wǎng)絡(luò)184.1.3 加入網(wǎng)絡(luò)方式194.1.4 數(shù)據(jù)發(fā)送244.1.5 數(shù)據(jù)接收254.2 溫

3、度采集264.3 顯示部分285 調(diào)試295.1 硬件調(diào)試295.2 軟件調(diào)試296 總結(jié)29參考文獻(xiàn)29致 謝30附錄一：系統(tǒng)硬件電路圖31附錄二：軟件流程圖32附錄三：程序清單33吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于zigbee的無(wú)線采集系統(tǒng)學(xué) 生 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：摘 要：隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，我們的生活越來(lái)越離不開(kāi)無(wú)線技術(shù)。無(wú)線通信技術(shù)給我們的生活帶來(lái)了很多方便。zigbee就是一個(gè)新興的無(wú)線通信技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)是功耗低。本論文就是基于zigbee技術(shù)做的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。將無(wú)線通信技術(shù)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，使得土壤溫度的采集方便而及時(shí)。溫度傳感器用了tc77，其采集的溫度精確，而且

4、成本低。顯示模塊則用了oled，即使顯示采集出的溫度。整個(gè)軟件部分用c程序編寫，思路清晰。經(jīng)過(guò)一些修改后，可以投入到實(shí)際應(yīng)用中。關(guān)鍵詞： 無(wú)線通信；zigbee；溫度傳感器；oled顯示the wireless collects system use zigbeename：xie chen major：electronics information science and technologytutor：gong heabstract: along with the wireless communication technology's development, our life ca

5、nnot leave the wireless technology more and more. the wireless communication technology has brought conveniently for ours life. zigbee is an emerging wireless communication technology, its biggest superiority is the power loss is low. the present paper is the wireless temperature gathering system wh

6、ich does based on the zigbee technology. uses the agricultural domain the wireless communication technology, causes the soil temperature gathering to be convenient and to be prompt. the temperature sensor has used tc77, its gathering temperature is precise, moreover the cost is low. the display modu

7、le has used oled, even if demonstrated gathers temperature. the entire software part uses the c programming, the mentality to be clear. after some revisions, may invest into the practical application.key words: wireless communication; zigbee; temperature sensor; oled monitori吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1 前言1.1 課題的提出目

8、前，土壤參數(shù)的采集普遍還是用人為采集。就是在一天中分不同的時(shí)段，對(duì)土壤的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行人為測(cè)量。這樣浪費(fèi)了大量的人力和物力，而且采集的數(shù)據(jù)也不及時(shí)。當(dāng)然，現(xiàn)在也新出現(xiàn)的一些智能采集，但是這種采集數(shù)據(jù)也需要人為的控制或者需要很長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸線。這就存在很多不方便的因素。于是我們現(xiàn)在就需要一種技術(shù)，能對(duì)土壤的各項(xiàng)參數(shù)能夠進(jìn)行無(wú)線采集。這樣首先，省去了人為采集的麻煩，而且還不再需要長(zhǎng)長(zhǎng)的傳輸線，為數(shù)據(jù)的傳輸帶來(lái)了便捷。1.2 方案論證與比較無(wú)線傳輸部分方案論證。方案一：紅外技術(shù)。為短距離，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)；傳輸速率高。但是通信距離短，通信過(guò)程中不能移動(dòng)，遇到障礙物通信中斷。所以不適合次系統(tǒng)。

9、方案二：藍(lán)牙技術(shù)。是一種短距離、低成本的無(wú)線傳輸應(yīng)用技術(shù)。比較紅外技術(shù)它通信更方便，而且穩(wěn)定1。 方案三：zigbee技術(shù)。一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。最大的特點(diǎn)就是低功耗。一節(jié)電池就可以維持6個(gè)月到數(shù)年的工作時(shí)間。 比較方案二和三，考慮溫度采集是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，而且要大批量來(lái)更換電池是個(gè)較為麻煩的過(guò)程。所以，zigbee技術(shù)功耗低的特點(diǎn)就很適合來(lái)做田間的溫度采集。 綜上所以選擇了zigbee來(lái)做無(wú)線傳輸部分。 溫度采集部分方案論證。 方案一：用cc2430芯片中集成的溫度傳感器，來(lái)采集溫度。但是其溫度的測(cè)量值不精確，也不穩(wěn)定。 方案二：用外接的溫度傳感器tc77。測(cè)量溫度精確，成本

10、低。綜合考慮采用方案二。 顯示部分方案論證。 由于，實(shí)驗(yàn)板自身帶有oled顯示屏。使用方便，顯示清楚。所以顯示部分直接采用oled來(lái)做。1.3 zigbee技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景首先，來(lái)介紹一下這個(gè)系統(tǒng)的核心部分zigbee技術(shù)。zigbee是一種新興的短距離，低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它被稱作為“homerf life "或“firefly"無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們之間

11、的通信效率非常高 。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或是被另外一個(gè)無(wú)線技術(shù)收集。zigbee技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)之一。zigbee技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)其低耗電性將使產(chǎn)品的電池維持6個(gè)月到數(shù)年的工作時(shí)間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期，將以工業(yè)或企業(yè)市場(chǎng)的感應(yīng)式網(wǎng)路為主，提供感應(yīng)識(shí)別、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場(chǎng)拓展至家庭中的應(yīng)用。zigbee填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力將轉(zhuǎn)移到應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、

12、互聯(lián)互通測(cè)試以及市場(chǎng)推廣等方面。有理由相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將有越來(lái)越多的zigbee功能的設(shè)備進(jìn)入我們的生活，并將極大的改善我們的生活方式和體驗(yàn)。1.4 zigbee技術(shù)特點(diǎn)zigbee技術(shù)主要包括了這么幾方面的特點(diǎn)。首先是省電，兩節(jié)五號(hào)電池即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年的使用時(shí)間。其次是可靠，它采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定寬帶的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。接著是時(shí)延短，zigbee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用作了優(yōu)化，通信時(shí)和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。同時(shí)

13、，zigbee網(wǎng)絡(luò)容量大，它可支持多達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。最后zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和檢權(quán)功能，加密算發(fā)采用通用的aes-128，64位的出廠編號(hào)和支持aes-128加密，大大提高了安全性和保密性。1.5 zigbee技術(shù)概述zigbee棧體系結(jié)構(gòu)由一組稱為層的塊兒組成。每個(gè)層為上層執(zhí)行指定一套服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供所有其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（sap）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)sap支持一些服務(wù)原語(yǔ)來(lái)完成必須的功能。zigbee棧體系結(jié)構(gòu)，是基于標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（osi）七層協(xié)議模型，但是僅僅定義這些層在市場(chǎng)空間里完成相應(yīng)的功能。ieee802.

14、15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了較低的兩層：物理（phy）層和媒體接入控制（mac）子層。zigbee聯(lián)盟通過(guò)提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層結(jié)構(gòu)，構(gòu)造這個(gè)基礎(chǔ)。它包括應(yīng)用支持層，zigbee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。ieee802.15.4-2003 mac子層控制使用csma-ca機(jī)制接入到無(wú)線信道。它的職責(zé)可能也包括傳輸信標(biāo)幀，同步和提供可靠傳輸機(jī)制。zigbee nwk層的責(zé)任應(yīng)該包括加入和離開(kāi)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所用到的機(jī)制、應(yīng)用幀安全機(jī)制和它們的目的地路由幀機(jī)制。另外，在兩個(gè)設(shè)備中路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)被移交到nwk層。一跳領(lǐng)居的發(fā)現(xiàn)和儲(chǔ)存相關(guān)的信息也在nwk層里完成。zigbee協(xié)調(diào)器的nwk層負(fù)責(zé)建立一個(gè)新

15、的網(wǎng)絡(luò)，在適當(dāng)時(shí)，分配地址到新的相關(guān)設(shè)備。zigbee應(yīng)用層包括aps應(yīng)用框架（af）、zdo和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。aps子層的責(zé)任包括維護(hù)綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和它們的需求使它們相互匹配，同時(shí)在它們之間轉(zhuǎn)發(fā)消息。zdo負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（例如是zigbee協(xié)調(diào)器或是終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定它們提供哪種應(yīng)用服務(wù)，發(fā)起和/或響應(yīng)綁定要求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)聯(lián)。zdo也負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備并且決定它們提供哪些應(yīng)用服務(wù)。zigbee網(wǎng)絡(luò)層（nwk）支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)單獨(dú)設(shè)備zigbee協(xié)調(diào)器控制。zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維

16、護(hù)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和所有的其他設(shè)備，如眾所周知的直接和zigbee協(xié)調(diào)器通信的終端設(shè)備。在網(wǎng)狀網(wǎng)和樹(shù)形拓?fù)淅?，zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并負(fù)責(zé)選擇確定的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，但是可能通過(guò)使用zigbee路由器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。在樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)里，路由器使用一個(gè)等級(jí)尋路策略移動(dòng)數(shù)據(jù)和控制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的消息。樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)可能使用信標(biāo)定向通信，網(wǎng)狀網(wǎng)允許全對(duì)等的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)中的zigbee路由器不應(yīng)發(fā)出規(guī)則的ieee802.15.4-2003信標(biāo)2。2 zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理2.1 zigbee協(xié)議棧概述zigbee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。

17、每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（sap）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)sap提供了一系列的基本服務(wù)指令來(lái)完成相應(yīng)的功能。zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（osi）模型，但僅對(duì)那些涉及zigbee層予以定義。ieee802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層（phy）和介質(zhì)接入控制子層（mac）。zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（apl）框架的設(shè)計(jì)。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（aps）、zigbee設(shè)備對(duì)象（zdo）及由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。相比于常見(jiàn)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，zigbee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。以下

18、是zigbee協(xié)議套件的最低需求估計(jì)：硬件需要8位處理器，如80c51；軟件需要32kb rom，最小軟件需要4kb的rom，如果cc2430芯片具有8051內(nèi)核的、內(nèi)存從32kb至128kb的zigbee無(wú)線單片機(jī)：網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的ram以容納網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表以及與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。圖2.1 zigbee體系結(jié)構(gòu)模型fig. 2.1 zigbee system structure modleieee802.15.4-2003工作在工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療（ism）頻段，定義了兩個(gè)工作頻段，即2.4ghz頻段和868/915mhz頻段。在ieee802.15.4

19、-2003中，總共分配了27個(gè)具有3種速率的信道；2.4ghz頻段有16個(gè)速率為250kb/s的信道；915mhz頻段有10個(gè)40kb/s的信道；868mhz頻段有1個(gè)20kb/s的信道。這些信道的中心頻率按如下定義（k為信道數(shù)）fc = 868.3mhz (k=0)fc = 906mhz+2(k-1)mhz (k=1,2,10)fc = 2405mhz+5(k-1)mhz (k=11,12,26)一個(gè)ieee802.15.4可以根據(jù)ism頻段、可用性、擁擠情況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。從能量和成本效率來(lái)看，不同的數(shù)據(jù)數(shù)率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。來(lái)自ieee802.15.

20、4物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次（按數(shù)據(jù)從低到高）組成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)。每種數(shù)據(jù)符號(hào)（對(duì)應(yīng)16狀態(tài)組中的一組）被映射成32位偽噪聲碼片（chip)，以便于傳輸。然后，這個(gè)連續(xù)的偽噪聲chip序列被調(diào)制（采用最小鍵控制方式）到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控制（oqpsk)調(diào)制方式。868/915mhz頻段物理層使用簡(jiǎn)單的直接序列擴(kuò)頻（dsss）方法，每個(gè)ppdu數(shù)據(jù)傳輸位被最大長(zhǎng)度為15的chip序列所擴(kuò)展（即被多組+1、-1構(gòu)成的m-序列編碼），然后使用二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)調(diào)制這個(gè)擴(kuò)展的位元序列。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適合于不同的場(chǎng)合。ieee802.15.4mac層提供兩種服

21、務(wù)：mac層數(shù)據(jù)服務(wù)和mac層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過(guò)mac層管理實(shí)體（mlme）服務(wù)接入點(diǎn)（sap）訪問(wèn)高層。mac層數(shù)據(jù)服務(wù)使mac層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（mpdu）的收發(fā)可以通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。ieee802.15.4mac層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、保證時(shí)隙（gts）管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸以及節(jié)點(diǎn)接入與分離。zigbee的網(wǎng)絡(luò)層主要用于zigbee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等。而應(yīng)用層主要為zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便于對(duì)zigbee技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。在不同場(chǎng)合，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用框架不同。低速率的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義。

22、超幀被分為16個(gè)大小相等的時(shí)隙，由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖2.2所示。每個(gè)超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)間隔。信標(biāo)幀在超幀的第一個(gè)時(shí)隙被傳輸。如果協(xié)調(diào)器不想使用超幀結(jié)構(gòu)，它將會(huì)停止信標(biāo)的傳輸。信標(biāo)可用來(lái)使接入的設(shè)備同步，區(qū)分個(gè)域網(wǎng)，描述超幀結(jié)構(gòu)。任何想要在競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段（cap）通信的設(shè)備都要使用有時(shí)隙的載波聽(tīng)多址接入-沖突避免（csma-ca）。所有的傳輸要在下一個(gè)信標(biāo)到來(lái)之前結(jié)束。圖2.2 無(wú)gts的超幀結(jié)構(gòu)fig. 2.2 no gts super structure超幀結(jié)構(gòu)有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協(xié)調(diào)器將不和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進(jìn)入低能模式。對(duì)于低延遲應(yīng)用或需要特殊寬帶的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將為它貢獻(xiàn)出超幀的

23、活躍部分。這部分叫做gts。gts由無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段（cfp）組成，它總是緊跟著cap，在活躍的超幀尾部，如圖2.3所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以分配7個(gè)gts，每個(gè)gts可以占用1個(gè)以上的時(shí)隙。而cap有充足的時(shí)間留給基于競(jìng)爭(zhēng)的接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或想加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。所有基于競(jìng)爭(zhēng)的傳輸都要在cfp開(kāi)始前結(jié)束，同樣gts的傳輸也要確保在下一個(gè)gts開(kāi)始前結(jié)束。圖2.3 有g(shù)ts的超幀結(jié)構(gòu)fig. 2.3 have gts super structure2.2 ieee802.15.4通信層ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層（phy）和介質(zhì)接入控制子層（mac）。而zigbee直接使用了ieee802

24、.15.4所定義的物理層和介質(zhì)接入控制子層。2.2.1 物理層phyzigbee的通信頻率由物理層來(lái)規(guī)范。zigbee對(duì)不同國(guó)家地區(qū)提供不同的工作頻率范圍。它所用的頻率范圍分別為2.4ghz和868/915mhz。因此，ieee802.15.4定義了戀歌物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4ghz物理層和868/915mhz物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻（dsss）技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，其區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率不同。2.4ghz波段為全球統(tǒng)一、無(wú)須申請(qǐng)的ism頻段，有助于zigbee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4ghz的物理層采用16相調(diào)制技術(shù)，能夠提供25

25、0kb/s的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐量，減小了通信時(shí)延，縮短了數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，因此更加省電。zigbee使用的無(wú)線信道由表2.1確定。可以看出，zigbee使用的3個(gè)頻段定義了27個(gè)物理信道，其中：868mhz頻段定義了1個(gè)信道；915mhz頻段附近定義了10個(gè)信道，信道間隔為2mhz；2.4ghz頻段定義了16個(gè)信道，信道間隔為5mhz，較大的信道間隔有助于簡(jiǎn)化收發(fā)濾波器的設(shè)計(jì)。表2.1 zigbee無(wú)線通信的組成table 2.1 zigbee wireless correspond by letter信道編號(hào)中心頻率mhz信道間隔/mhz頻率上限/ mhz頻率下限/ mhzk=0k=1

26、,2,10k=11,12,26868.3906+2(k-1)2405+5(k-1)25868.6928.02483.5868.0902.02400.0zigbee技術(shù)發(fā)射功率也有一定的限制，其最大的發(fā)射功率應(yīng)該符合不同國(guó)家所制定的規(guī)范，通常zigbee發(fā)射功率范圍為0+10dbm,通信距離范圍為10m,可擴(kuò)大到約300m。但現(xiàn)在由于技術(shù)發(fā)展要求，一般都突破了上述限制。現(xiàn)在zigbee模塊加上放大電路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離可達(dá)4km以上，zigbee發(fā)射功率達(dá)+20dbm。同時(shí)，ieee還規(guī)范了以下技術(shù)要求（同時(shí)使用于2.4ghz和868/915mhz）；接收信號(hào)中心頻率誤差最大為±40ppm

27、;發(fā)射機(jī)的最小功率為-3dbm，接收機(jī)最大輸入電平-20dbm。物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從mac層到物理層無(wú)線信道的接口。從圖2.4可以看到，在物理層中存在有數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)可提供如下服務(wù)：通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（pd-sap）為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；通過(guò)物理層管理實(shí)體（plme）服務(wù)的接入點(diǎn)（plme-sap）為物理層管理提供服務(wù)。zigbee物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。同步包頭由前同步碼和數(shù)據(jù)包定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整。物理層包頭指示凈荷部分的長(zhǎng)度，凈荷部

28、分含有mac層數(shù)據(jù)包，最大長(zhǎng)度是127字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（psdu）攜帶mac層的幀信息。圖2.4 物理層結(jié)構(gòu)模型fig. 2.4 phy stratification modelling2.2.2 介質(zhì)接入控制子層macieee802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制子層llc和介質(zhì)接入控制子層mac兩個(gè)子層。llc子層在ieee802.6標(biāo)準(zhǔn)中定義，為802標(biāo)準(zhǔn)系列所共用；而mac子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。ieee802.15.4的mac子層能支持多種llc標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)業(yè)務(wù)相關(guān)匯聚子層sscs協(xié)議承載ieee802.2協(xié)議中第一種類型的

29、llc標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他llc標(biāo)準(zhǔn)直接使用ieee802.15.4子層的服務(wù)。llc子層的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段與重組，以及確保數(shù)據(jù)包按順序傳輸。ieee802.15.4mac子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)與斷開(kāi)，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀效驗(yàn)與快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（arq）,預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信道管理等。mac子層處理所有物理層無(wú)線通信的接入。主要功能有：1、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；2、同步信標(biāo)；3、支持個(gè)域網(wǎng)鏈路的建立和斷開(kāi)；4、為設(shè)備的安全提供支持；5、信道接入方式采用免沖動(dòng)載波檢測(cè)多址接入機(jī)制；6、處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙機(jī)制；7、在兩個(gè)對(duì)等的mac實(shí)體之間提供一個(gè)

30、可靠的通信鏈路。mac子層與llc子層的接口中用于管理目的的原語(yǔ)僅有26條。相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)的131條原語(yǔ)和32個(gè)事件而言，ieee802.15.4mac子層的復(fù)雜度很低，不需要高速處理器，因此降低了功耗和成本。mac層在服務(wù)協(xié)議匯聚層（sscs）和物理層之間提供了一個(gè)接口。mac層包括了一個(gè)管理實(shí)體。該實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用mac層管理功能，它還負(fù)責(zé)維護(hù)mac固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。從圖2.5可以看到，mac層兩個(gè)不同的接入點(diǎn)提供不同的服務(wù)：通過(guò)公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；通過(guò)管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。圖2.5 mac層參考模型fig. 2.5 mac referen

31、ce modle2.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)層zigbee堆棧是在ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立的，而ieee802.15.4僅定義了協(xié)議的mac和phy層。zigbee設(shè)備應(yīng)該包括ieee802.15.4phy與mac層，zigbee堆棧層、網(wǎng)絡(luò)層（nwk）、應(yīng)用層以及安全服務(wù)管理。每個(gè)zigbee設(shè)備都與一個(gè)特定模版有關(guān)，可能是公共摸版或私有摸版。這些模版定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型以及用于設(shè)備間通信的串。公共模版可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中互操作性。設(shè)備是由模版定義的，并以應(yīng)用對(duì)象的形式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)連接到zigbee堆棧的余下部分，它們都是器件中可尋

32、址的組件。從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接。端點(diǎn)之間的通信是通過(guò)稱之為串的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。這些串是應(yīng)用對(duì)象之間共享信息所需的全部屬性的容器。在特殊應(yīng)用中使用的串在摸版中定義。zigbee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保zigbee的mac層正常工作，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體，如圖2.6所示。圖2.6 網(wǎng)絡(luò)層參考模型fig. 2.6 nwk reference mode網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（nlde-sap）提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層

33、管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)和維護(hù)和管理。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)mcps-sap和mlme-sap接口，為mac提供接口，通過(guò)nlde-sap與nlme-sap接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與堆棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，即同一個(gè)內(nèi)部個(gè)域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（npdu）結(jié)構(gòu)（幀結(jié)構(gòu)）有一下兩個(gè)基本組成部分：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有效載

34、荷，包含幀類型所指定的信息。圖2.7所示為網(wǎng)絡(luò)層通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域，但網(wǎng)絡(luò)層的幀的報(bào)頭域還是按照固定的序列出現(xiàn)。然而，只有多播標(biāo)志值是1時(shí)才存在多播（多點(diǎn)傳送）控制域。有zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中定義了兩種類型的網(wǎng)絡(luò)幀，它們分別是數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。字節(jié)：222110/80/80/1變 長(zhǎng)變 長(zhǎng)幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號(hào)ieee目的地址ieee源地址多點(diǎn)傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷圖2.7 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包（幀）格式fig. 2.7 nwk data wrap format2.4 zigbee應(yīng)用層2.4.1 應(yīng)用層概述zigbee棧

35、體系包括一系列的層元件，包括ieee802.15.4 2003標(biāo)準(zhǔn)的mac層和phy層。當(dāng)然也包括zigbee的nwk層。每個(gè)層的元件提供相關(guān)的服務(wù)功能。aps提供了這樣的接口：在nwk層和apl層之間，從zdo到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)：aps數(shù)據(jù)實(shí)體（apsde）和aps管理實(shí)體(apsme)。apsed提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或者更多的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)通信。apsme提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象。這些服務(wù)包含安全服務(wù)和綁定設(shè)備，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說(shuō)的aib。zigbee中的應(yīng)用框架是為了駐扎在zigbee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境。最多可以定義

36、240個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο?，任何一個(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)都是1240。還有兩個(gè)附加的終端節(jié)點(diǎn)為了apsed-sap的使用：端點(diǎn)號(hào)0固定于zdo數(shù)據(jù)接口；另外一個(gè)端點(diǎn)255固定用于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能；端點(diǎn)241254保留。應(yīng)用模式是一組統(tǒng)一的消息。消息格式和處理方法允許開(kāi)發(fā)者建立一個(gè)可以共同使用的，分布式應(yīng)用程序，這些應(yīng)用是使用駐扎在獨(dú)立設(shè)備中的應(yīng)用實(shí)體。這些應(yīng)用模式允許應(yīng)用程序發(fā)送命令、請(qǐng)求數(shù)據(jù)和處理命令與請(qǐng)求。串標(biāo)識(shí)符可用來(lái)區(qū)分不同的串，串標(biāo)識(shí)聯(lián)系著數(shù)據(jù)從設(shè)備流出和向設(shè)備流入。在特殊的應(yīng)用范圍內(nèi)，串標(biāo)識(shí)符是唯一的。zigbee設(shè)備對(duì)象（zdo）描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)。這個(gè)功能

37、在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備模式和aps之間提供了一個(gè)接口。zdo位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它滿足所有在zigbee協(xié)議中應(yīng)用操作的一般需要。zdo還有一下作用：初始化應(yīng)用支持子層（aps）、網(wǎng)絡(luò)層（nwk）、安全服務(wù)規(guī)范（sss）；從終端應(yīng)用中集合配置信息來(lái)確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及綁定管理。zdo描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對(duì)象和公用接口，以控制設(shè)備和應(yīng)用對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)功能。在終端節(jié)點(diǎn)0，zdo提供了與協(xié)議棧中低一層相接的接口。如果是數(shù)據(jù)，則通過(guò)apsed-sap；如果是控制信息，則通過(guò)apsme-sap。在zigbee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中，zdo公用接口提供設(shè)備、發(fā)現(xiàn)、綁定以及安全等功能的地址

38、管理。設(shè)備發(fā)現(xiàn)是zigbee設(shè)備發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備過(guò)程。這有兩種形式的設(shè)備發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求；ieee地址請(qǐng)求和網(wǎng)絡(luò)地址的請(qǐng)求。ieee地址請(qǐng)求是單播到一個(gè)特殊的設(shè)備且假定網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)知道。網(wǎng)絡(luò)地址請(qǐng)求是廣播且攜帶一個(gè)已知的ieee的地址作為負(fù)載。服務(wù)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)已給設(shè)備被其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)過(guò)程。服務(wù)發(fā)現(xiàn)通過(guò)在一個(gè)已給設(shè)備的每一個(gè)端點(diǎn)發(fā)送詢問(wèn)或通過(guò)使用一個(gè)匹配服務(wù)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)方便定義和使用各種描述來(lái)概述一個(gè)設(shè)備的能力。服務(wù)發(fā)現(xiàn)信息在網(wǎng)絡(luò)中也許被隱藏。在這種情況下，設(shè)備提供的特殊服務(wù)可能不好在發(fā)現(xiàn)操作發(fā)生時(shí)到達(dá)。2.4.2 zigbee應(yīng)用支持子層zigbee應(yīng)用支持子層的功能建立在兩個(gè)基礎(chǔ)之上：一是正確運(yùn)行z

39、igbee網(wǎng)絡(luò)層的驅(qū)動(dòng)功能；二是制造商定義的應(yīng)用對(duì)象所需要的功能。應(yīng)用支持子層給網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層通過(guò)zigbee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的一組服務(wù)提供了接口。該接口提供了zigbee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的一組服務(wù)。通過(guò)兩個(gè)實(shí)體提供這些服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。aps數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)與之連接的sap提供管理服務(wù)，并且維護(hù)一個(gè)管理實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，即aps信息庫(kù)。應(yīng)用支持子層的數(shù)據(jù)實(shí)體向網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，并且為zdo和應(yīng)用對(duì)象提供服務(wù)，完成兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用層pdu。這些設(shè)備本身必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。2.4.3 zigbee profile在zigbee網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)設(shè)備之間通信

40、的關(guān)鍵是統(tǒng)一一個(gè)profile。zigbee在兩個(gè)分開(kāi)的登記定義profile，這兩個(gè)等級(jí)是：私人的和公開(kāi)的。這些等級(jí)的精確定義和標(biāo)準(zhǔn)是在zigbee聯(lián)盟和在這個(gè)文件范圍之外的一個(gè)管理問(wèn)題。為了符合這個(gè)技術(shù)規(guī)范，profile標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)是唯一的。最后，對(duì)一個(gè)profile標(biāo)識(shí)符的應(yīng)用程序，每一個(gè)profile必須以向zigbee聯(lián)盟的一個(gè)請(qǐng)求開(kāi)始。一旦獲得profile標(biāo)識(shí)符，profile標(biāo)識(shí)符即允許profile設(shè)計(jì)者有如下定義：設(shè)備描述；串標(biāo)識(shí)符。profile標(biāo)識(shí)符應(yīng)用的市場(chǎng)空間對(duì)zigbee聯(lián)盟發(fā)行profile標(biāo)識(shí)符是一個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)。profile需要覆蓋一個(gè)足夠?qū)挼脑O(shè)備范圍來(lái)允許

41、互動(dòng)性發(fā)生在沒(méi)有過(guò)渡范圍設(shè)備之間，且導(dǎo)致用來(lái)描述它們接口的一個(gè)串標(biāo)識(shí)符的不足。相反，profile不能被定義的太狹窄導(dǎo)致很多被個(gè)人profile標(biāo)識(shí)符描述的設(shè)備導(dǎo)致profile標(biāo)識(shí)符尋址空間的浪費(fèi)，且在描述設(shè)備如何接口時(shí)產(chǎn)生互操作性。在zigbee聯(lián)盟里的政策組將就如何定義profile而建立標(biāo)準(zhǔn)，且?guī)椭?qǐng)求者制作它們的profile標(biāo)識(shí)符請(qǐng)求。profile標(biāo)識(shí)符是在zigbee協(xié)議中的主要枚舉量。每一個(gè)唯一的profile標(biāo)識(shí)符定義了設(shè)備描述和串標(biāo)識(shí)符的一個(gè)聯(lián)合的枚舉量。profile開(kāi)發(fā)者的責(zé)任就是定義和分配設(shè)備描述、串標(biāo)識(shí)符和在它們已分配的profile屬性。2.4.4 zigbee

42、設(shè)備對(duì)象zdozdo是使用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層原語(yǔ)執(zhí)行zigbee終端設(shè)備、路由器和協(xié)調(diào)器的一個(gè)應(yīng)用。zdo使用串來(lái)描述它的原語(yǔ)。zigbee設(shè)備profile串不使用屬性，且同在消息傳輸協(xié)議里的消息類似。在zigbee設(shè)備中使用串標(biāo)識(shí)符來(lái)列舉在zdo中使用的消息。zdo也使用配置屬性。這些屬性不屬于任何族的元素。在zdo中的配置屬性是由應(yīng)用或棧profile設(shè)置的配置參數(shù)。雖然配置屬性和zigbee設(shè)備profile都由zdo來(lái)使用，但是配置的屬性和zigbee設(shè)備profile無(wú)關(guān)。zdo是應(yīng)用解決方案，駐扎在zigbee協(xié)議棧中apl層和aps層之上。zdo的功能有：（1）初始化應(yīng)用支持子層

43、（aps）、網(wǎng)絡(luò)層（nwk）、安全服務(wù)提供（ssp）以及任何其他zigbee設(shè)備而不駐扎在端點(diǎn)1240的終端應(yīng)用。（2）從終端應(yīng)用中集合配置消息來(lái)確定和執(zhí)行終端的功能。3 系統(tǒng)硬件部分介紹3.1 總體框圖總體的設(shè)計(jì)分為三大模塊，第一塊為溫度采集模塊，用溫度傳感器來(lái)采集出溫度，接zigbee的模塊。第二塊為無(wú)線接收發(fā)送模塊，溫度采集后，通過(guò)zigbee進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。第三部分，是顯示部分，用oled顯示屏來(lái)最后顯示溫度。 無(wú)線 發(fā)送 模塊 無(wú)線 接收 模塊 溫度 采集 顯示 模塊圖3.1 總體設(shè)計(jì)框圖fig. 3.1 total design frame diagram3.2 各功能模塊硬件介

44、紹3.2.1 無(wú)線收發(fā)模塊介紹3.2.1.1 cc2430主要特征外設(shè)cc2430芯片延用了以往cc2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了zigbee射頻(rf)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位mcu（8051），具有32/64/128 kb可編程閃存和8kb的ram，還包括墨/數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）、幾個(gè)定時(shí)器、aes128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 khz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程i/o引腳。芯片如圖3.2所示。cc2430包括3個(gè)8位輸入/輸出端口，分別為p0、p1、p2。其中，p0和p1分別有8個(gè)引腳，p2有5個(gè)引腳，共21個(gè)數(shù)字i/o口引腳。

45、這些引腳都可以作為通用i/o端口，同時(shí)通過(guò)獨(dú)立編程還可以作為特殊功能的輸入/輸出，通過(guò)軟件設(shè)置可以改變引腳的輸入/輸出硬件狀態(tài)配置。21個(gè)i/o引腳都可以作為外部中斷源輸入口，因此如果需要，外部設(shè)備可以產(chǎn)生中斷。外部中斷功能也可以喚醒休眠模式。圖3.2 cc2430芯片引腳圖fig. 3.2 the cc2430 chip leads feet diagram為了提高數(shù)據(jù)存取的效率，cc2430專門在內(nèi)存與外設(shè)之間開(kāi)辟了一條專用數(shù)據(jù)通道。這條數(shù)據(jù)通道在dma控制器硬件的控制下，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而不通過(guò)8051內(nèi)核，不用i/o指令。dma控制器可以把外設(shè)（如adc、射頻收發(fā)器）的數(shù)據(jù)移到內(nèi)存而不

46、需要cc2430內(nèi)核的干涉。這樣，傳輸數(shù)據(jù)速度上限取決于存儲(chǔ)器的速度。采用dma方式發(fā)送時(shí)，由dma控制器向8051內(nèi)核發(fā)送dma請(qǐng)求，內(nèi)核響應(yīng)dma請(qǐng)求，這時(shí)數(shù)據(jù)輸入/輸出完全由dma控制器指揮。cc2430包括4個(gè)定時(shí)器：1個(gè)一般的16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器，支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能；一個(gè)16位mac定時(shí)器，用于為ieee802.15.4的csma-ca算法以及ieee802.15.4的mac層提供定時(shí)。cc2430的數(shù)據(jù)加密由一個(gè)支持先進(jìn)的高級(jí)加密技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)aes的協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn).該協(xié)處理器允許加密/解密將使用最小cpu使用率。aes安全協(xié)處理器工作在128位。組128位的數(shù)據(jù)下載到協(xié)處

47、理器中加密，須在下一組數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器前完成加密.每組數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密前，須給協(xié)處理器一個(gè)開(kāi)始指令。由于aes協(xié)處理器加密的數(shù)據(jù)都是以128位為一組的，因此當(dāng)一組數(shù)據(jù)不足128位的時(shí)，必須在后面添加0后才能把數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密。cc2430的adc支持14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這跟一般的單片機(jī)8位adc不同。這個(gè)adc包括一個(gè)參考電壓發(fā)生器、8個(gè)獨(dú)立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過(guò)dma模式把轉(zhuǎn)化結(jié)果寫入內(nèi)存的控制器。當(dāng)使用adc時(shí)，p0口必須配置成adc輸入作為8位adc輸入；把p0相應(yīng)的引腳當(dāng)作adc輸入使用，寄存器adccfc相應(yīng)位置設(shè)置為1。否則寄存器adccfg的各為處始值是0，則不當(dāng)作

48、adc輸入使用。adc完成順序模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及把結(jié)果送至內(nèi)存而不需要cpu的干涉。3.2.1.2 cc2430無(wú)線收發(fā)cc2430的無(wú)線接收器是一個(gè)低中頻接收器。接收到的射頻信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器放大而正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。在中頻2mhz中，當(dāng)adc模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入/增益調(diào)相信號(hào)被過(guò)濾和放大。cc2430的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過(guò)“先進(jìn)先出”的方式來(lái)接收128位數(shù)據(jù)。使用“先進(jìn)先出”方式讀取數(shù)據(jù)需要通過(guò)特殊功能寄存器接口。內(nèi)存與先進(jìn)先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動(dòng)使用dma方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。crc校驗(yàn)使用硬件實(shí)現(xiàn)。接受信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（rssi）和相關(guān)值添加到幀中。在接受模式中可以用中斷來(lái)使用清除通道評(píng)估（cca）。cc2430的

49、發(fā)送器是基于上變頻器的。接受數(shù)據(jù)存放在一個(gè)接受先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符和開(kāi)始符由硬件生成。通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)化把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送出去。cc2430無(wú)線部分主要參數(shù)如下：頻帶范圍為2.4002.4835ghz。采用ieee802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式。數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碎片速率達(dá)2mchip/s。采用o-qpsk調(diào)制方式。高接收靈敏度（-94dbm）?？灌忣l道干擾能力強(qiáng)（39db）。內(nèi)部集成有vco、lna、pa以及電源穩(wěn)壓器。采用低電壓供電（2.13.6v）。輸出功率編程可控。ieee802.15.4mac硬件可支持自動(dòng)幀可是生成、同步插入與檢測(cè)、1

50、0比特的crc校驗(yàn)、電源檢測(cè)以及完全自動(dòng)mac層保護(hù)（ctr、cbc-mac和ccm）。3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊介紹tc77內(nèi)部含有一個(gè)13位adc，溫度分辨率為0.0625lsb。在正常工作條件下，靜態(tài)電流為250a(典型值)。其他設(shè)備與tc77的通信由spi串行總線或microwire兼容接口實(shí)現(xiàn)，該總線可用于連接多個(gè)tc77，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域溫度監(jiān)控，配置寄存器config中的shdn位激活低功耗關(guān)斷模式，此時(shí)電流消耗僅為0.1a(典型值)。tc77具有體積小巧、低裝配成本和易于操作的特點(diǎn)，是系統(tǒng)熱管理的理想選擇。3圖3.3為tc77的芯片引腳圖。圖3.3 tc77芯片引腳圖fig. 3.3

51、tc77 chip pin charttc77的串行總線包括片選信號(hào)線ce、串行時(shí)鐘信號(hào)線sck及串行數(shù)據(jù)信號(hào)線sio，遵循spi或mi-crowire接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在有多個(gè)tc77連接到串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)信號(hào)線時(shí)，ce用于選擇其中的某一個(gè)tc77器件，cs為邏輯“0”時(shí)，用于寫入器件或從器件中讀出數(shù)據(jù)的同步；cs為邏輯“1”時(shí)，sck被禁止。cs的下降沿啟動(dòng)器件間的相互通信，cs的上升沿則停止器件間的相互通信。圖3.4為tc77與單片機(jī)的硬件接口電路。圖3.5為tc77的數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖。圖3.4 tc77與單片機(jī)硬件接口電路fig. 3.4 hardware interface electr

52、ic circuit圖3.5 tc77時(shí)序圖 fig. 3.5 tc77 data output timing3.2.3 顯示模塊介紹 顯示模塊將采用oled來(lái)實(shí)現(xiàn)。有機(jī)電致發(fā)光顯示(oled)技術(shù)是下一代最有競(jìng)爭(zhēng)力的平板顯示技術(shù)。目前, oled的研究重點(diǎn)是提高器件的穩(wěn)定性、發(fā)光效率和高質(zhì)量動(dòng)態(tài)顯示的驅(qū)動(dòng)技術(shù)以達(dá)到實(shí)用化的要求。本設(shè)計(jì)采用oled顯示屏原因是其功耗低、亮度高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。4oled模塊所用的驅(qū)動(dòng)芯片為ssd1303，給出了一個(gè)專用的接口和驅(qū)動(dòng)電路。液晶顯示模塊與cc2430芯片連接如圖3.6所示。圖3.6 oled模塊接口電路fig. 3.6 oled interface

53、electric circuit4 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)也同樣分了三部分。溫度的采集，數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸以及顯示。分各個(gè)模塊來(lái)介紹一下軟件的設(shè)計(jì)思路。本章節(jié)只是分別有各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)流程和軟件設(shè)計(jì)介紹。總的設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)附錄一說(shuō)明?？偟某绦蚯鍐我?jiàn)附錄二。4.1 數(shù)據(jù)發(fā)送、接收 數(shù)據(jù)的發(fā)送接收，首先要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。只有通信雙方建立了網(wǎng)絡(luò)之后，才可以進(jìn)行的數(shù)據(jù)收發(fā)5。而建立網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程又分為三部分。第一是建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，第二是看是否允許加入網(wǎng)絡(luò)，最后子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立后，雙方設(shè)備一方開(kāi)始發(fā)送，一方接受。下面詳細(xì)介紹這個(gè)過(guò)程。4.1.1 建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)nlme-network-formation.re

54、quest原語(yǔ)來(lái)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程。僅僅是具有zigbee協(xié)調(diào)器能力且當(dāng)前還沒(méi)有與網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備才可以嘗試去建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。如果該過(guò)程由其他設(shè)備開(kāi)始，則網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將終止改過(guò)程，并向其上層發(fā)出非法請(qǐng)求的報(bào)告。該步驟通過(guò)發(fā)出狀態(tài)參數(shù)為invalid-request的nlme-netwoekformation.confirm原語(yǔ)來(lái)完成。建立網(wǎng)絡(luò)的流程圖4.1所示。當(dāng)建網(wǎng)過(guò)程開(kāi)始后，網(wǎng)絡(luò)層將首先請(qǐng)求mac層對(duì)協(xié)議所規(guī)定的信道或由物理層所默認(rèn)的有效信道進(jìn)行能量檢測(cè)掃描，以檢測(cè)可能的干擾。為實(shí)現(xiàn)能量檢測(cè)掃描，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)發(fā)送掃描類型參數(shù)設(shè)置為能量檢測(cè)掃描的mlme-scan.request

55、原語(yǔ)到mac層進(jìn)行信道能量檢測(cè)掃描，掃描結(jié)果通過(guò)mlme-scan.confirm原語(yǔ)返回。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體收到成功的能量檢測(cè)掃描結(jié)果后，將以遞增的方式對(duì)所測(cè)量的能量值進(jìn)行信道排序，并且拋棄那些能量值超出了可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道作進(jìn)一步處理。此后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將通過(guò)發(fā)送mlme-scan.request原語(yǔ)執(zhí)行主動(dòng)掃描，其中該原語(yǔ)的scantype參數(shù)設(shè)置為主動(dòng)掃描，channellist參數(shù)設(shè)置為可允許信道的列表，搜索其他的zigbee設(shè)備。為了確定用于建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的最佳通道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將檢查pan描述符，并且所查找的第一個(gè)信道為網(wǎng)絡(luò)的最小編號(hào)。如果網(wǎng)絡(luò)層管理

56、實(shí)體找不到適合的信道，就將終止建網(wǎng)過(guò)程，并且向應(yīng)用層發(fā)出啟動(dòng)失敗信息，即通過(guò)發(fā)送參數(shù)狀態(tài)為startup-failure的nlme-network-formation.confirm原語(yǔ)向其上層通告。如果網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體找到了合適的信道，則將為這個(gè)新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)pan標(biāo)識(shí)符。設(shè)備將隨機(jī)選擇一個(gè)沒(méi)有在已選擇信道里使用。值0x3fff的pan標(biāo)識(shí)符一旦網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體作出了選擇，則它通過(guò)發(fā)出mlme-set.request原語(yǔ)將這個(gè)值寫為mac層macpanid屬性。如果選擇不出唯一的標(biāo)識(shí)符，則網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將終止程序，并且通過(guò)發(fā)送狀態(tài)參數(shù)為startup-failure的nlme-network-formation.confirm原語(yǔ)向上層通告。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體一旦選擇了一個(gè)pan標(biāo)識(shí)符，則將選擇一個(gè)等于0x0000的16位網(wǎng)絡(luò)地址，并且設(shè)置mac層的macshortaddresspib 屬性, 使其等于所選擇的網(wǎng)絡(luò)地址。一旦nwkextendedpanid的值核對(duì)pib屬性的nwkextendedpanid值。如果這個(gè)值是0x0000000000000000,則這個(gè)屬性以mac常量aextendedaddress初始化。一旦nwkextendedpanid的值核對(duì)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體即通過(guò)mlme-start.request原語(yǔ)給ma