智能無(wú)線計(jì)步器的研究

1、編號(hào) 本科生畢業(yè)論文無(wú)線計(jì)步器 Wireless Pedometer2008年 月 摘 要闡述了無(wú)線計(jì)步器實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該系統(tǒng)利用新興的ZigBee通訊技術(shù)，以CC2430作為主要控制器件，并通過(guò)擴(kuò)展相關(guān)的外圍電路以及采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)完成了無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的計(jì)步器。該系統(tǒng)硬件主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee無(wú)線通信模塊。該系統(tǒng)的軟件主要由數(shù)據(jù)發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊及數(shù)據(jù)處理模塊等幾個(gè)部分組成，數(shù)據(jù)收、發(fā)模塊為本系統(tǒng)重點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)可以記錄人體運(yùn)動(dòng)步伐情況，無(wú)線傳輸?shù)絇C機(jī)，通過(guò)辛普森規(guī)則處理得出運(yùn)動(dòng)步數(shù)，行進(jìn)路程和消耗熱量。關(guān)鍵詞:ZigBee通訊 普森規(guī)則 無(wú)線

2、計(jì)步器AbstractIntroduced the implementation of wireless pedometer。The system uses ZigBee emerging communication technologies, in order to control the CC2430 as the main device, and through the expansion of related peripheral circuits and the use of modular software design to complete the wireless trans

3、mission of data pedometer.Hardware of the system include: data acquisition modules and ZigBee wireless communication module.The system software mainly by the data transmitter, data receiver module, data acquisition modules, display module and data processing module is composed of several components,

4、 data collection, the focus of module-based system.Design is completed the system can record the pace of human motion, the wireless transmission to a PC, Simpson rules through step-by-step campaign to draw the number of road distance and calorie consumption.Keywords: ZigBee wireles Simpson's rul

5、e communications edometer 目 錄第一章 緒論.1第二章 設(shè)計(jì)原理.22.1 任務(wù).22.2 基本思想.22.3 方案論證與比較.2 2.3.1傳感器方案選擇.3 2.3.2無(wú)線有通訊方案方式選擇.42.3.3 數(shù)據(jù)處理方案方式選擇.6第三章 硬件設(shè)計(jì).73.1 原理框圖.73.2 傾角傳感器.73.2.1理論操作.83.2.2自檢.93.3 ZigBee簡(jiǎn)介.13.3.1 IEEE 802.15.4.113.3.2 ZigBee.113.3.3 ZigBee協(xié)議棧.113.3.4 服務(wù)原語(yǔ).133.3.6 物理層（PHY）.143.3.7 媒體接入控制層（MAC）.1

6、53.3.8 網(wǎng)絡(luò)層.163.3.9 應(yīng)用層.193.4 無(wú)線單片機(jī)CC2430.193.4.1 CC2430概述.193.4.2 主要特性.193.4.3 引腳和I/O口配置.203.4.4 特殊功能寄存器.233.4.5 無(wú)線模塊.233.4.6 IEEE 802.15.4調(diào)試.263.5 硬件設(shè)計(jì)思路.263.6 硬件短路連接圖.27第四章 軟件設(shè)計(jì).28 4.1發(fā)射模塊程序流程圖.284.2發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)圖.294.3 PC機(jī)處理方法.294.4辛普森規(guī)則簡(jiǎn).294.4.1 推到.304.4.2 未決定系數(shù).314.4.3 誤差.314.4.4 復(fù)合辛普森規(guī)則.324.4.5 替代延

7、長(zhǎng)辛普森規(guī)則.324.4.6 辛普森3/8規(guī)則.33結(jié)論.34致謝.35參考文獻(xiàn).36附錄1 ZigBee模塊的原理.37附錄2 ZigBee模塊原理圖2.38附錄3 程序.3945第一章 緒 論隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視自己的健康。保持每天的運(yùn)動(dòng)量是最好的減肥和健身方法。醫(yī)學(xué)家統(tǒng)計(jì)得出，正常人一天大約要消耗大約300卡的多余熱量，相當(dāng)于每天步行一萬(wàn)步所消耗的熱量。跑步是一種方便而又有效的鍛煉方式。計(jì)步器，可顯示步數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的熱量；可以幫助人們掌握鍛煉情況。計(jì)步器的主要功能是檢測(cè)步數(shù)，通過(guò)步數(shù)和步幅可計(jì)算行走的路程。有了計(jì)步器，人們就可以每天定量記錄運(yùn)動(dòng)的多少。計(jì)步器能激發(fā)人們變得更加

8、活躍，引導(dǎo)人們走向健康生活。研究表明，利用計(jì)步器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)能夠跟有效地記錄一天的運(yùn)動(dòng)情況，使得運(yùn)動(dòng)更加有效、更加科學(xué)。并且與價(jià)格昂貴的跑步機(jī)相比計(jì)步器更便宜，適合普通消費(fèi)群體的需要。計(jì)步器從采集信號(hào)原理上分為機(jī)械式和電子式兩種。他們的主要差別在于采集加速度的傳感器原理不同。從數(shù)據(jù)傳輸上分，可以分成有線和無(wú)線兩種。機(jī)械式的計(jì)步器利用人體行走時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)引起計(jì)步器簧片或者彈力小球的震動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過(guò)判斷電子脈沖方法來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。所謂的振動(dòng)傳感器其實(shí)就是一個(gè)平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞使一個(gè)觸點(diǎn)能出現(xiàn)通/斷動(dòng)作，由電子計(jì)數(shù)器記錄并顯示就完成了主要功能，還有熱量消耗和行走的路程。但是

9、由于每個(gè)人走路的姿態(tài)、步幅不一樣所以除了步數(shù)較為準(zhǔn)確以外其他的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。對(duì)于步態(tài)呈病狀（比如腦萎縮、半身不遂）來(lái)講可能連步數(shù)也不準(zhǔn)確 （振幅不夠大、一步兩顛等）。這種機(jī)械式方式的成本比較低，但是他的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。 電子式的計(jì)步器，其傳感器精度大大提高了，但是傳統(tǒng)的電子計(jì)步器大多是有線傳輸?shù)脑O(shè)備。傳感器與數(shù)據(jù)處理、顯示模塊放在一起。因?yàn)轶w積大所以只能佩戴在腰部。人體在行走時(shí)小腿處的加速度變化最為明顯。雖然行走時(shí)腰部在各個(gè)方向上都有加速度變換，但是沒(méi)有腿部明顯。所以急需一種輕便的，無(wú)線計(jì)步器。第二章 設(shè)計(jì)原理2.1 任務(wù)根據(jù)無(wú)線計(jì)步器的設(shè)計(jì)要求，整個(gè)采用上、下位主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上位機(jī)為主叫

10、方，下位機(jī)為被叫方。上位機(jī)通過(guò)與下位機(jī)進(jìn)行ZigBee無(wú)線通信獲取各下位機(jī)(子站)采集到的加速度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)辛普森規(guī)則計(jì)算出步長(zhǎng)、消耗熱量等;下位機(jī)則佩戴在各檢測(cè)者腿上，負(fù)責(zé)加速度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在多機(jī)通信過(guò)程中為下位機(jī)，需要完成對(duì)被測(cè)參數(shù)包括ax、ay、az三個(gè)方向加速度的采集，并且能按定時(shí)和隨機(jī)兩種方式完成上述參數(shù)的測(cè)量并傳送至上位機(jī)系統(tǒng)。在無(wú)線計(jì)步器系統(tǒng)中，下位機(jī)自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。因此下位機(jī)的可靠運(yùn)行就顯得十分重要，這就對(duì)上下位機(jī)的可靠、安全通信提出了較高的要求。無(wú)線通信遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的通信采用方式有: 紅外、藍(lán)牙（Bluetooth）、Wi-Fi和ZigBee。因此，從目

11、前的技術(shù)條件及通信距離、實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性等諸多方面的綜合考慮，利用ZigBee傳輸數(shù)據(jù)不失為一種有效的方法。本系統(tǒng)就是基于以上所述的形式來(lái)設(shè)計(jì)的。最終設(shè)計(jì)的下位機(jī)系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示等主要功能。按照以上功能規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。2.2 基本思想綜合運(yùn)用無(wú)線通信模塊、加速度傳感器、PC機(jī)等進(jìn)行無(wú)線計(jì)步器的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一的電源供電，本設(shè)計(jì)主要包括三部分：信號(hào)采集部分、無(wú)線模塊發(fā)送和上位機(jī)處理部分。信號(hào)采集部分采用加速度傳感器采集加速度方波信號(hào)，將此信號(hào)送到無(wú)線通信模塊，通過(guò)無(wú)線信道將信號(hào)送給上位機(jī)進(jìn)行處理，用辛普森規(guī)則進(jìn)行處理從而計(jì)算出人行走的距離及其消耗的熱

12、量。設(shè)計(jì)的軟件部分的程序采用C語(yǔ)言編寫。2.3 方案論證與比較 根據(jù)無(wú)線計(jì)步器的基本設(shè)計(jì)思想得出，本系統(tǒng)需要的主要器件：加速度采集模塊和無(wú)線通訊模塊。設(shè)計(jì)無(wú)線計(jì)步器主要解決以下系列問(wèn)題：數(shù)據(jù)采集芯片的選擇；無(wú)線傳輸方式的選擇和數(shù)據(jù)傳輸方案選擇。2.3.1傳感器選擇方案一：選擇ADXL202作為系統(tǒng)加速度傳感器ADXL202是美國(guó)AD公司的一種低功耗、二維加速度傳感器ADXL202可以輸出X、Y兩路信號(hào)，需要注意的是，設(shè)計(jì)PCB時(shí)要擺放好芯片位置。方案二：選擇ADXL330作為系統(tǒng)加速度傳感器ADXL330是美國(guó)AD公司最新推出的一款帶有信號(hào)調(diào)理電路，可提供模擬電壓輸出的小量程、小尺寸、低功耗3

13、軸加速度計(jì)。ADXL330將微機(jī)電系統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)與信號(hào)調(diào)理集合在一起，功耗電流降低至200uA(在2.0V電源電壓下)，比同類產(chǎn)品功耗降低50%。適合設(shè)計(jì)成便攜式的電子消費(fèi)產(chǎn)品。內(nèi)部集成了一個(gè)堅(jiān)固的3軸傳感器結(jié)構(gòu)及其信號(hào)調(diào)理電路，該加速度計(jì)的測(cè)量是+3g-3g。具有10 000g額定的耐沖壓強(qiáng)度，具有良好的0g偏壓穩(wěn)定性和良好的靈敏度。如果使用方案一，在計(jì)步系統(tǒng)中能夠測(cè)量出步伐數(shù)量和前進(jìn)方向，但是不能精確計(jì)算出行走距離和消耗熱量。利用ADXL330進(jìn)行加速度測(cè)量可以精確測(cè)量出3個(gè)方向的加速度，大幅度提高系統(tǒng)的精度。綜上所述，選擇方案二作為系統(tǒng)采集加速度。2.3.2無(wú)線通訊方案選擇在無(wú)線計(jì)步器系

14、統(tǒng)中，下位機(jī)自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。因此下位機(jī)的可靠性和低功耗就顯得十分重要，這就對(duì)上下位機(jī)的可靠、安全通信提出了較高的要求。當(dāng)今最流行的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)有IrDA 、Bluetooth、Wi-Fi和極具發(fā)展?jié)摿Φ腪igBee。方案一：紅外 紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA（Infrared DataAssociation）成立于1993年。IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，相應(yīng)的軟件和硬件技術(shù)都已比較成熟。它的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、功率低，適合設(shè)備移動(dòng)的需要；傳輸速率高，可達(dá)16Mbit/s；成本低，應(yīng)用普遍。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用成本低廉的特點(diǎn)。

15、IrDA用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問(wèn)題在于只能在2臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問(wèn)題。方案二：藍(lán)牙（Bluetooth）1999 年， 愛(ài)立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了Bluetooth技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無(wú)線連接。它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)。Bluetooth列入了IEEE802.15.1，為對(duì)語(yǔ)音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統(tǒng)開(kāi)銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外，Bluetooth 對(duì)每個(gè)“微微網(wǎng)”（Piconet） 有只能配置7個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。方案三： Wi-Fi Wi-Fi（Wir

16、eless Fidelity ，無(wú)線高保真）也是一種無(wú)線通信協(xié)議。 1997年提出Wi-Fi基于的協(xié)議規(guī)范IEEE802.11。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)也是目前WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 其工作頻率也是2.4GHz。目前，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有被工業(yè)界廣泛接受。IEEE802.11流行的幾個(gè)版本包括“a”（在5.8GHz 波段帶寬為54MBps） 、“b”（波段2.4GHz 帶寬為11MBps）、“g”（波段2.4GHz帶寬為22MBps) 這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線平臺(tái)增加了困難。Wi-Fi規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY） 層和媒體接入控制（MAC)層，并依賴TCP/ IP作為網(wǎng)絡(luò)層。由

17、于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)的，因此大多數(shù)便攜Wi-Fi 裝置都需要常規(guī)充電。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。方案四： Zigbee ZigBee技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式，它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。另外，它可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。它本身的特點(diǎn)使其比藍(lán)牙、Wi-Fi等更適合于那些對(duì)于傳輸速率要求不高，而對(duì)資源、成本和功耗等有明確限制的應(yīng)用場(chǎng)合。幾種常用短距離無(wú)線傳輸方式的主要性能比較見(jiàn)表1。從目前的技術(shù)條件及通信距離、實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性等諸多方面的綜合考慮，利用ZigBee傳輸數(shù)據(jù)不失為一種有效的方法。以上特點(diǎn)決定了方案四ZigBe

18、e是無(wú)線計(jì)步器通信方案的最佳選擇。標(biāo)準(zhǔn)IrDABlueToothWiFiZigBee傳輸有效距離（米）定向11-10+1-1001-100+電池壽命長(zhǎng)較短短很長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)2730255/65000+系統(tǒng)開(kāi)銷小較大大小傳輸速率（Mbps）161110.02/0.25傳輸介質(zhì)2.4GHz紅外2.4GHz射頻2.4GHz射頻2.4GHz射頻應(yīng)用重點(diǎn)視距傳輸?shù)碾娎|替代品電纜替代品Web.Email、圖像監(jiān)測(cè)和控制表1 短距離無(wú)線傳輸方式的比較2.3.3 數(shù)據(jù)傳輸方案選擇方案一：利用CC2430芯片內(nèi)嵌的51在采集加速度的之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將處理好的數(shù)據(jù)信息傳回。然后接收端將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)顯示。方案二：

19、在接收端不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直接將加速度信息傳回。再由PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。從本方案的數(shù)據(jù)采集速度考慮。人體運(yùn)動(dòng)信息是時(shí)刻變化的。如果采用方案一，會(huì)影響CC2430對(duì)加速度傳感器的信號(hào)采集速度。如果采用方案二，利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠更快進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，減輕了CC2430的負(fù)擔(dān)。所以選擇方案二作為數(shù)據(jù)處理方案。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 原理框圖 硬件設(shè)計(jì)分成發(fā)射模塊和接受模塊兩部分。發(fā)射模塊硬件框如圖3-1所示。其中包括加速度傳感器和無(wú)線通信模塊兩部分。前面介紹加速度傳感器擬采用ADXL330。無(wú)線通訊模塊擬采用ZigBee模塊。 圖3-1 硬件發(fā)射模塊 硬件接受模塊框圖如圖3-2所

20、示。其中包擴(kuò)ZigBee無(wú)線通信模塊和PC機(jī)。 圖3-2 硬件接收模塊 3.2傾角傳感器簡(jiǎn)介器件的選型應(yīng)遵循兩個(gè)原則:首先是器件的性能要滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求;其次是在滿足性能的基礎(chǔ)上要盡可能低的降低成本。以此為原則選擇傾角傳感器和ZigBee芯片。 ADXL330是一個(gè)小型、低功耗、三軸加速度信號(hào)調(diào)節(jié)電壓輸出的芯片。該產(chǎn)品的加速的最大范圍為± 3g。它可以用來(lái)測(cè)量靜態(tài)重力加速度的傾斜，以及動(dòng)態(tài)加速運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、停止或振動(dòng)。在XOUT ， YOUT和ZOUT引腳，有供用戶選擇的帶寬加速度CZ電容器。帶寬可以選擇適合的應(yīng)用，頻率范圍是X和Y軸0.5Hz到1,600Hz；Z軸0.5Hz到550

21、Hz。該ADXL330采用小型4mm× 4mm×1.45mm， 16引腳，塑料引腳架構(gòu)芯片級(jí)封裝（ LFCSP_LQ ） 。如圖3-3所示。圖3-3 ADXL330基本連接圖3.2.1理論操作該ADXL330是一個(gè)完整的3軸加速度測(cè)量系統(tǒng)芯片。該ADXL330最大測(cè)量范圍是± 3g。它包含一個(gè)多晶硅表面微機(jī)械傳感器和信號(hào)調(diào)理電路實(shí)施開(kāi)環(huán)加速測(cè)量結(jié)構(gòu)。輸出信號(hào)的模擬電壓是成正比的加速度。它可以用來(lái)測(cè)量靜態(tài)重力加速度的傾斜，以及動(dòng)態(tài)加速運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、停止或振動(dòng)。該傳感器是一種以多晶硅表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)建立在硅片。使用差分電容組成的獨(dú)立的固定板和板連接到移動(dòng)質(zhì)量。固定板的推動(dòng)

22、下產(chǎn)生相位為180 °的方波。加速推移動(dòng)質(zhì)量和差分電容控制傳感器輸出的振幅成正比加速。相敏解調(diào)技術(shù)用于確定的規(guī)模和方向的加速度。該ADXL330采用單結(jié)構(gòu)遙感的X ， Y和Z軸。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，在靠近ADXL330供電引腳用一個(gè)0.1 F電容，可適當(dāng)減少供電電源帶來(lái)的噪聲。設(shè)置的帶寬使用和CZ 該ADXL330 ax、ay 和az已被規(guī)定限制波段。在這些引腳必須加上電容器構(gòu)成低通濾，用來(lái)的反鋸齒和減少噪音。方程的3 dB帶寬是：F3 dB = 1/(2(32 k) × C(X, Y, Z)或更簡(jiǎn)單：F3 dB = 5 F/C(X, Y, Z)表3-1 濾波電容器的選擇CX，

23、CY，和CZ3.2.2 自檢ST引腳的制自我測(cè)試功能。當(dāng)此引腳被設(shè)置為比，靜電施加的加速度束。 由此產(chǎn)生的流動(dòng)光束使用戶可以測(cè)試是否加速度計(jì)的功能。典型的變化，輸出 -500mg（相當(dāng)于-150mV）的X軸， 500 mg（或 150 mV）在y軸上，并-200 mg（或-60 mV）的Z軸。權(quán)衡設(shè)計(jì)的選擇濾波器特點(diǎn)： 濾波可用于降低噪聲層，以改善加速度準(zhǔn)確性。決議取決于模擬濾波器帶寬ax 、ay 、和az 。產(chǎn)出的ADXL330的典型帶寬大于500 HZ。用戶必須過(guò)濾器的信號(hào)在這一點(diǎn)上，以限制抗鋸齒錯(cuò)誤。模擬帶寬不得超過(guò)一半的模擬到數(shù)字的采樣頻率，盡量減少失真。模擬帶寬可以進(jìn)一步降低，以降低

24、噪聲和提高ax 、ay 、和az的精確度。ADXL330的噪音特點(diǎn)，高斯白噪聲，這有助于在各個(gè)頻率同樣是條款中所述微克/ HZ（噪音是平方根成正比的加速度帶寬） 。用戶應(yīng)限制到最低帶寬頻率所需要的應(yīng)用化，以最大限度地提高分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的。與單相，滾降的特點(diǎn)，典型的噪聲ADXL330是由：通常情況下，峰值噪聲是理想的。峰峰值噪聲只能估計(jì)的統(tǒng)計(jì)方法。圖3-4相應(yīng)軸的輸出電壓圖3-5響應(yīng)輸出與重力方向3.3 ZigBee簡(jiǎn)介3.3.1 IEEE 802.15.4 2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組。這個(gè)工作組將致力于定義一種提供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度

25、、低成本、低功耗、低速率的無(wú)線連接技術(shù)。它的任務(wù)是制定一套適用于短距離無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。3.3.2 ZigBeeZigBee是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)名稱?！癦igBee”一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，傳遞所發(fā)現(xiàn)新食物源的位置、距離和方向等信息。可以說(shuō)，是一種小動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”的溝通，人們借此來(lái)稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee早期也曾被稱過(guò)“Ho

26、meRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無(wú)線通信技術(shù)，目前統(tǒng)一稱之為“ZigBee技術(shù)”。ZigBee技術(shù)特點(diǎn)可以概括為四低:低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。ZigBee技術(shù)規(guī)范是由ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4工作組共同制定的。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議棧的物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）；而ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）

27、框架。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，2002年下半年，美國(guó)摩托羅拉、IT以及荷蘭飛利浦等許多大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一事件成為ZigBee技術(shù)的里程碑。目前聯(lián)盟的成員涵蓋了IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的200多家企業(yè)。ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄露其標(biāo)識(shí)。而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。 完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802

28、.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。3.3.3 ZigBee協(xié)議棧ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心ZigBee協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。ZigBee協(xié)議與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系如圖3-7所示。圖3-6 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖高層應(yīng)用規(guī)范應(yīng)用匯聚層網(wǎng)絡(luò)層MAC層物理層customomIEEE802.15.4ZigBee圖3-7 ZigBee協(xié)議與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系ZigBee的協(xié)議架構(gòu)是建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。IEEE 802.15

29、.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee的物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）；ZigBee聯(lián)盟則定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。ZigBee協(xié)議以O(shè)SI七層參考模型為基礎(chǔ)，只定義了其中與LR-WPAN應(yīng)用相關(guān)的協(xié)議層。ZigBee協(xié)議棧的每層為其上一層提供一套服務(wù)功能：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)服務(wù)，管理實(shí)體提供其他的服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體和上層之間的接口稱作“服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（SAP）”，通過(guò)SAP交換一組服務(wù)原語(yǔ)為上層提供相關(guān)的服務(wù)功能。3.3.4服務(wù)原語(yǔ)服務(wù)是一個(gè)協(xié)議層（服務(wù)提供者）向其上一層（服務(wù)用戶）提供的功能，而服務(wù)用戶的功能是建立在其下一層提供的服務(wù)基礎(chǔ)之上的。服

30、務(wù)是通過(guò)服務(wù)提供層和服務(wù)用戶層之間的信息流來(lái)描述的，層間信息流是一系列離散的事件，每個(gè)事件通過(guò)層間SAP發(fā)送一個(gè)服務(wù)原語(yǔ)。服務(wù)原語(yǔ)是一個(gè)抽象概念，它僅僅指定了實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)需要傳遞的信息，而與實(shí)現(xiàn)服務(wù)的具體方式無(wú)關(guān)。一種服務(wù)包括一個(gè)和多個(gè)服務(wù)原語(yǔ)，原語(yǔ)中的參數(shù)用來(lái)傳遞提供服務(wù)所要求的信息。OSI/RM規(guī)定了4種類型的服務(wù)原語(yǔ)：請(qǐng)求（request）。請(qǐng)求原語(yǔ)由服務(wù)用戶層指向服務(wù)提供層（即下一層），請(qǐng)求啟動(dòng)一項(xiàng)服務(wù)。指示（indication）。指示原語(yǔ)由服務(wù)提供層指向服務(wù)用戶層，告知與其相關(guān)的服務(wù)提供層事件信息。該事件可能與遠(yuǎn)端服務(wù)請(qǐng)求邏輯相關(guān)，也可能是服務(wù)提供層內(nèi)部事件。響應(yīng)（respons

31、e）。響應(yīng)原語(yǔ)由服務(wù)用戶層指向服務(wù)提供層，完成此前指示原語(yǔ)啟動(dòng)的過(guò)程。證實(shí)（confirm）。證實(shí)原語(yǔ)由服務(wù)提供層指向服務(wù)用戶層，傳遞此前服務(wù)請(qǐng)求的結(jié)果。3.3.5 協(xié)議棧資源需求相對(duì)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，其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低，以下是ZigBee協(xié)議套件的需求估計(jì)：（1）8位處理器，如80c51；（2）協(xié)議套件軟件需求32kbytes的RAM；（3）最小協(xié)議套件軟件大約4 kbytes的ROM；（4）網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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、與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。3.3.6物理層（PHY）IEEE 802.15.4物

32、理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)信機(jī)、能量檢測(cè)（ED）、鏈路質(zhì)量指示(LQI)、空閑信道評(píng)估（CCA）、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。IEEE 802.15.4物理層定義了868MHz、915 MHz和2.4GHz三個(gè)頻段。這些頻段上所采用的調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)參數(shù)可歸納為表3-2。頻率/MHz擴(kuò)頻參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)碼片速率/（kchip/s）調(diào)制方式比特速率/kbps符號(hào)速率/(ksymbol/s)符號(hào)階數(shù)868/915868-868.6300BPSK2020二進(jìn)制902-928600BPSK4040二進(jìn)制24502400-2483.52000O-QPSK25062.5十六進(jìn)制正交表3-2 IE

33、EE 802.15.4的擴(kuò)頻和調(diào)制參數(shù)IEEE 802.15.4物理層在三個(gè)頻段上共劃分了27個(gè)信道分配如下：在2.4GHz頻段上有16個(gè)速率為250kbps的信道；在915MHz頻段上有10個(gè)速率為40kbps的信道；在868MHz頻段上有1個(gè)速率為20kbps的信道。圖3-8 IEEE 802.15.4物理信道物理層通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（PD-SAP）提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)；通過(guò)物理層管理實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（PLME-SAP）提供物理層管理服務(wù)。圖3-9 物理層參考模型物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）由三部分組成：同步頭（SHR）允許接收設(shè)備同步并鎖定比特流；物理層幀頭（PHR）包含的是幀長(zhǎng)信息

34、；有效載荷部分是PSDU。PPDU的格式如下：圖3-10 物理層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼字段 收發(fā)信機(jī)用來(lái)獲得碼片和符號(hào)同步，它是32位長(zhǎng)度的全0序列。幀開(kāi)始符（SFD）：表示引導(dǎo)序列的結(jié)束和數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始，它是8位的二進(jìn)制序列11100101。幀長(zhǎng)字段 ：它用7位表示物理層有效載荷PSDU的長(zhǎng)度，取值范圍是0到aMaxPHYP-acketSize之間的整數(shù)。PSDU字段 ：可變長(zhǎng)度的字段，它是物理層要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，即MPDU。3.3.7 媒體接入控制層（MAC） IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC子層主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)任務(wù)：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；信標(biāo)同步；支持PAN關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)；CSMA-CA信道訪問(wèn)機(jī)

35、制；處理和維護(hù)保證時(shí)隙（GTS）機(jī)制；在兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體間提供可靠鏈路。 MAC層的參考模型如圖3-11所示。MAC層通過(guò)MAC公共部分子層（MCPS）的數(shù)據(jù)SAP（MCPS-SAP）提供MAC數(shù)據(jù)服務(wù)；通過(guò)MLME-SAP提供MAC管理服務(wù)。這兩種服務(wù)通過(guò)物理層PD-SAP和PLME-SAP提供了SSCS和PHY之間的接口。除了這些外部接口外，MCPS和MLME之間還隱含了一個(gè)內(nèi)部接口，用于MLME調(diào)用MAC數(shù)據(jù)服務(wù)。圖3-11 MAC層參考模型MAC層幀一般格式如圖3-12所示。MAC幀，即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU），是由一系列字段按照特定的順序排列而成的。MAC幀通常包括三部分：M

36、AC頭、MAC有效載荷和MAC尾。MAC頭部分由幀控制字段、幀序號(hào)字段和地址信息域組成；MAC有效載荷部分的長(zhǎng)度與幀類型相關(guān)，確認(rèn)幀的有效載荷部分長(zhǎng)度為0；MAC尾是幀校驗(yàn)序列(FCS)。MAC幀格式如下：圖3-12 MAC幀結(jié)構(gòu)IEEE 802.15.4的MAC層定義了4種幀類型：信標(biāo)（廣播）幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。只有信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和MAC命令幀則用于ZigBee設(shè)備間與MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。3.3.8 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）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，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)

37、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)必需的功能服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。圖3-13是ZigBee網(wǎng)絡(luò)層參考模型。NWK層通過(guò)兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）提供了兩種服務(wù)，即通過(guò)NWK層數(shù)據(jù)實(shí)體SAP（NLDE-SAP）提供的NWK數(shù)據(jù)服務(wù)和通過(guò)NWK層管理實(shí)體SAP(NLME-SAP)提供的NWK管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層的這兩種服務(wù)通過(guò)MCPS-SAP和MLME-SAP提供了應(yīng)用層和MAC子層之間的接口。除了這些外部接口，在NWK內(nèi)部NLME和NLDE之間還存在一個(gè)隱含接口，允許NLME使用NWK數(shù)據(jù)服務(wù)。圖3-13 MAC層數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖3-14 網(wǎng)絡(luò)層的參考模型圖3-14為NWK幀

38、的一般格式。一個(gè)NWK幀（即NPDU）由兩個(gè)基本部分組成：NWK頭和NWK有效載荷。NWK頭部分包含幀控制、地址和序號(hào)信息；NWK有效負(fù)載部分包含的信息因幀類型的不同而不同，它是可變長(zhǎng)度的。NEK頭中的字段按固定的順序排列，但不是每個(gè)NWK幀都包含完整的地址和序號(hào)信息字段。圖3-15 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于adhoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它的功能包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全。有自組織、自維護(hù)功能，以最大程度減少消費(fèi)者的開(kāi)支和維護(hù)成本。在網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟制定可以采用下圖所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形、樹(shù)狀、網(wǎng)狀拓?fù)洹Ｔ赯igBee網(wǎng)

39、絡(luò)中按設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的任務(wù)分為3種類型的設(shè)備。第一個(gè)是ZigBee協(xié)調(diào)器（ZC），主要職責(zé)是建立網(wǎng)絡(luò)并設(shè)定它們的主要參數(shù)，它可以通過(guò)ZigBee路由器來(lái)延伸網(wǎng)絡(luò)的通信范圍，這些路由器也可以作為由于距離太遠(yuǎn)而無(wú)法直接通信的兩個(gè)設(shè)備間的中繼器，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)ZC；第二個(gè)角色是ZigBee路由器(ZR),它起監(jiān)視或控制作用，但它也是用調(diào)頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；第三個(gè)角色是ZigBee終端設(shè)備（ZED），它只有監(jiān)視或控制功能，不做路由或中繼之用。按設(shè)備功能分類分為全功能（FFD）和半功能（RFD）設(shè)備，F(xiàn)FD可以作協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備而RFD只能作終端設(shè)備。圖3-14 ZigBee支持

40、的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3.9應(yīng)用層（APL）ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用層主要用于對(duì)ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等。在不同的場(chǎng)合，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用框架也不同。APS子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定列表，根據(jù)設(shè)備的服務(wù)和需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行匹配，并在綁定的設(shè)備之間傳送信息。ZDO負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并明確其提供的應(yīng)用服務(wù)。圖3-15 應(yīng)用層APDU幀結(jié)構(gòu)3.4 無(wú)線單片機(jī)CC24303.4.1 CC2430概述CC2430 是Chipcon 公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 80

41、2.15.4/ZigBee 協(xié)議。根據(jù)芯片內(nèi)置閃存的不同容量，提供給用戶3 個(gè)版本，即CC2430-F32/64/128，分別對(duì)應(yīng)內(nèi)置閃存32/6 4/128 KB。CC2430 片上系統(tǒng)的功能模塊集成了CC2420 RF 收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 CC2430 片上系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)CC2430 片上系統(tǒng)。CC2430 采用增強(qiáng)型8051 MCU、32/64/128 KB 閃存、8KB SRAM 等高性能模塊，并內(nèi)置了ZigBee 協(xié)議棧。加上超低能耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee 節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。3.4.2 主要特性CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解

42、決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM 波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器。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8 KB 的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）、32 kHz 晶振的休眠模式

43、定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)以及21 個(gè)可編程I/O 引腳。CC2430 芯片采用0.18m CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA。CC2430/CC2431 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2430/CC2431 芯片的主要特點(diǎn)如下：高性能、低功耗的 8051 微控制器內(nèi)核；適應(yīng) 2.4GHzIEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器；極高的接收靈敏度和抗干擾性能；32/64/128 KB 閃存；強(qiáng)大的 DMA 功能；只需極少的外接元件；只需一個(gè)晶體，即可滿足組網(wǎng)需要；電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz 時(shí)。Rx為27 mA，Tx 為25 mA)；掉電方式下，電流消耗只有 O.9A，外部中斷或者實(shí)時(shí)鐘(RTc)能喚醒系統(tǒng)；掛起方式下，電流消耗小于 O.6A，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存取(csMA cA)；電源電壓范圍寬(2.O3.6 V)；支持?jǐn)?shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器/鏈路質(zhì)量指示(RssI/LQI)；具有 8 路輸入814 位ADC；2 個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的usART；1