【正文】 manufacturing engineering research information acquisition device design to the material during processing machinery to achieve access to information provides a new solution. Key words ： ZigBee。 CC2430。根據(jù) ZigBee 通信協(xié)議規(guī)范設(shè)計(jì)了組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信以及串口通信四個(gè)系統(tǒng)功能模塊，重點(diǎn)研究了終端點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的通信算法，解決了終端節(jié) 點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 題 目： 制造過(guò)程中的零件 信息獲取裝置研究 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名： 職 稱： 題目類型 ： ?理論研究 ?實(shí)驗(yàn)研究 ?工程設(shè)計(jì) ?工程技術(shù)研究 ?軟件開發(fā) 2021 年 5 月 26 日桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 IV 頁(yè) 摘 要 機(jī)械制造過(guò)程中物料信息獲取一直是制約制造業(yè)自動(dòng)化的瓶頸，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為方便、快捷、低成本獲取大量制造過(guò)程信息提供了可能。采用用預(yù)留的單片機(jī) I/O 口引腳的方法，將可用的 I/O 引腳用插針引出，預(yù)留出特定的傳感器接口，以及與讀卡器模塊實(shí)現(xiàn) SPI 通信。 關(guān)鍵詞 ： ZigBee。 射頻識(shí)別技術(shù) 。Wireless sensor works。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有體積小、功耗低、自適應(yīng)組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工零件流程中實(shí)現(xiàn)零件加工信息的監(jiān)控， 具有傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)機(jī)械制造企業(yè)的物流運(yùn)作尚處于由傳統(tǒng)物流向信息化物流過(guò)渡的階段，企業(yè)內(nèi)部普遍擁 有一定規(guī)模的物流基礎(chǔ)設(shè)施和局部信息化系統(tǒng)，但是普遍存在設(shè)備使用效率低下，資源配置不合理，不能快速、準(zhǔn)確、可靠地為企業(yè)信息化系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的物料信息數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)很多研究所和高校開展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究工作。 盡管無(wú)線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng) 用價(jià)值，它在農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療、安防、交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 故 本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一新型的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以及射頻識(shí)別技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程中零件信息獲取的裝置。它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以 自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)這三元世界的連通。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比有一些獨(dú)有的特點(diǎn)： 1. 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，可以在需要的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，提高區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度，減少盲區(qū)，從而獲取精確的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用編號(hào)標(biāo)識(shí)，但節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或者傳輸線索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。不同的傳感器應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。 ，通過(guò)監(jiān)測(cè)大氣成分的變化來(lái)對(duì)城市的空氣污染方面進(jìn)行監(jiān)控；通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣溫度和濕度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)森林大火的預(yù)警；應(yīng)用在圣物學(xué)研究中，可以跟蹤動(dòng)物的遷徙來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)物棲息地的監(jiān)控；應(yīng)用在交通方面，可以監(jiān)測(cè)道路堵塞的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效率的道路交通管理。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便、更舒適的醫(yī)療服務(wù)。但是推廣這種想法前，還需要突破許多技術(shù)瓶頸。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)有效的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，滿足作戰(zhàn)力量 “知己知彼 ”的要求。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 63 頁(yè) 3 ZigBee 技術(shù)概述 目前，在 WSN 的無(wú)線通信方面可以采用的主要有 ZigBee、藍(lán)牙、 WiFi和紅外等技術(shù)其中，紅外技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉，但紅外光線易受遮擋，可移動(dòng)性差，只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距連接，無(wú)法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；藍(lán)牙技術(shù)是工作在 GHz 頻段的無(wú) 線技術(shù)，目前在計(jì)算機(jī)外設(shè)方面應(yīng)用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復(fù)雜、開發(fā)成本高、節(jié)點(diǎn)功耗大等缺點(diǎn)，從而限制了其在工農(nóng)業(yè)方面的進(jìn)一步推廣； WiFi 技術(shù)的通信速率為 11 Mbit/s，通信距離為 50～100 m，適合于多媒體的應(yīng)用，但其本身實(shí)現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，從而在 WSN 中應(yīng)用較少； ZigBee 技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在 WSN 中有著廣泛的應(yīng)用前景。他們開發(fā)的技術(shù)被稱為 ZigBee 技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、 PC 外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備、玩具以及游戲等其他無(wú)線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。 ZigBee 聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（ work layer, NWK）， 應(yīng)用層（ application layer, APL）架構(gòu)。 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層采用基于 Ad Hoc 的路由協(xié)議，除了具有通用的網(wǎng) 絡(luò)層功能外，還應(yīng)該與底層的 IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)一樣功耗小，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，以最大限度方便消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。 協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，它最主要的作用是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，其方法是選擇一個(gè)相對(duì)空閑的群信道，形成一個(gè) PANID。 終端設(shè)備可以睡眠或者喚醒，因此可用電池來(lái)供電。星形網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用；與星形網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ mesh）只要彼此在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍內(nèi)，任何兩個(gè) FFD（ fullfunction device,全功能設(shè)備）設(shè)備之間都能直接通信，在 Mesh中每一個(gè) FFD設(shè)備都可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)路由器，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能 ， Mesh 在構(gòu)建時(shí)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所要維護(hù)的信息較多；對(duì)于簇狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上可以看作是一個(gè)復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)擴(kuò)展的星形拓?fù)浠蚴怯啥鄠€(gè)簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在簇狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備的功能清晰，相對(duì)于 Mesh，構(gòu)建簇狀網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所需的資源相對(duì)較少，并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。 設(shè)備：一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)設(shè)備，對(duì)應(yīng)于一個(gè)無(wú)線單片機(jī)，如CC2430；一個(gè)設(shè)備有一個(gè)無(wú)線射頻端，具有唯一的 IEEE 地址和網(wǎng)絡(luò)地址。端點(diǎn) 0xFF 用來(lái)尋址所有活動(dòng)端點(diǎn)，而端點(diǎn)0xF1～ 0xFE 暫時(shí)預(yù)留。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)簇都被分配了一個(gè)唯一的簇 ID。這意味著，在 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，各個(gè)廠商共同合作形成統(tǒng)一的技術(shù)解決方案。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 63 頁(yè) 4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為利用 RFID射頻技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)來(lái)獲取加工流程中零件的信息，并通過(guò)串口上傳到 PC 機(jī)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之后開啟 RFID 讀卡器的天線，并等待 IC 卡進(jìn)入天線的有效區(qū)內(nèi)進(jìn)行讀卡。而終端節(jié)點(diǎn)模塊在每次讀卡操作之后都要將讀取到的信息發(fā)送到控制協(xié)調(diào)中心，此時(shí)控制協(xié)調(diào)中心將記錄接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息還有時(shí)間，并將這些信息通過(guò)串口發(fā)送到PC 機(jī)上。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：組建生產(chǎn)車間的 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，安裝在每臺(tái)機(jī)床上的信息采集模塊加入到此網(wǎng)絡(luò)中并采集員工的卡號(hào)以及加工零件的卡號(hào)等信息，然后通過(guò)采集模塊上的無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)車間中的人員和加工零件的狀態(tài)，并反饋到 PC 機(jī)上。 此模塊作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心部分放置在控制室與 PC 機(jī)相連。 此模塊分部安裝于生產(chǎn)車間的各個(gè)區(qū)域。 此模塊安裝于車間內(nèi)的各個(gè)機(jī)床上。 其中 C191， C211 為 22pF，連接 32MHz 晶振電路； C241， C421 為 220nF，去耦合電容，用來(lái)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性； C341 為 ，電路中的非平衡變壓器由電容 C341 和電感 L34 L32L331 以及一個(gè) PCB 微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足 RF 輸入 /輸出匹配電阻（ 50 Ω）的要求。 Nokia 5110 LCD 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路與 CC2430 無(wú)線模塊連接如圖 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 18 頁(yè) 共 63 頁(yè) 按鍵輸入電路與 CC2430 無(wú)線模塊連接如圖 所示。其他 四個(gè)方向鍵經(jīng)過(guò)如圖 幾個(gè)電阻分壓后，通過(guò)一個(gè)ADC 通道（ ）輸入 CC2430 無(wú)線模塊。 RLED 和 GLED 分別串接一個(gè)限流電阻 RR2 連接至 CC2430 無(wú)線模塊的 和 引腳。電路框圖如圖所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 19 頁(yè) 共 63 頁(yè) 圖 USB 供電電路 圖 AMS1117 穩(wěn)壓電路 與 MF RC522 芯片的硬件連接設(shè)計(jì) 這部分的設(shè)計(jì)目的是把 CC2430 與 MF RC522 芯片的相關(guān)地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合理連接起來(lái)，從而通過(guò) CC2430 單片機(jī)芯片可以啟動(dòng)和 復(fù)位 MF RC522，或者從 MF RC522 中指定的寄存器中取得由 MF RC500 從卡中讀取到的數(shù)據(jù)。這里 CC2430 與 MF RC522 芯片采用的接口類型為 SPI 通信 類型。在于 CC2430 單片機(jī)通信時(shí)， MF RC522 用作從機(jī)，接收寄存器設(shè)置的外部 CC2430 單片機(jī)的數(shù)據(jù)，以及發(fā)送和接收 RF 接口的相關(guān)的通信數(shù)據(jù)。 MISO 也跟它類似，在時(shí)鐘的下降沿， MISO 上的數(shù)據(jù)由 MF RC522 來(lái)提供，在時(shí)鐘的上升沿的時(shí)候數(shù)據(jù)就保持不變。如表 所示。 注：先發(fā)送最高位（ MSB）。 MSB 位為 1 的時(shí)候從 MF RC522 讀出數(shù)據(jù)； MSB 位為 0 時(shí)將數(shù)據(jù)寫入到MF RC522。 圖 引腳與 MF RC522 的連接的網(wǎng)絡(luò)表 天線部分設(shè)計(jì) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 21 頁(yè) 共 63 頁(yè) 讀卡器的工作距離由如下三方面要素決定：閱讀器的天線尺寸、天線匹配電路的品質(zhì)因子 Q 以及閱讀器周圍環(huán)境的影響。由式 可以看出，磁通量密度約與 x3成反比，當(dāng) x增大時(shí) B迅速減小，這是環(huán)形天線讀寫距離的主要限制因素。 ③ 天線的性能和品質(zhì)因數(shù) Q密不可分。 =1 （式 46） 其中 T為載波系統(tǒng)在調(diào)制時(shí)的接通時(shí)間， T= 可以算出要求的 Q 為： 所以，為讀寫器天線選擇合適的品質(zhì)因數(shù)很重要。 (2) 天線線圈的設(shè)計(jì) 線圈的等效電路如下圖 。天線電感的估算公式如下： (式 47) 其中， La+b=L=La+Lb為線圈電感，為線圈一圈的長(zhǎng)度， D為導(dǎo)線寬度， N為線圈匝數(shù)， Q為形狀系數(shù)：圓形線圈 Q=，矩形線圈 Q=。所以必須在線圈能提供足夠大的磁通量密度情況下保證線圈匝數(shù) N盡可能的小。根據(jù)公式估算得： La+b≈。 ZigBee 軟件開發(fā)平臺(tái)介紹 本設(shè)計(jì)使用的軟件開發(fā)平臺(tái) IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱 EW）。通過(guò)內(nèi)置的針對(duì)不同芯片的代碼優(yōu)化器， EW 可以為 8051系列芯片生成非常高效和可靠的 FLASH/PROMable 代碼。 TI 的 ZStack 協(xié)議棧是基于一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的協(xié)議。 操作系統(tǒng)的執(zhí)行 啟動(dòng)代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準(zhǔn)備工作后，就開始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并由此徹底將控制權(quán)移交給操作系統(tǒng)，完成新老更替，自己則光榮地推出舞臺(tái)。 void osal_start_system( void ) { for(。 halIntState_t intState。 // Clear the Events for this task. HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState)。 // Add back unprocessed events to the current task. HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState)。 TI 的 ZStack 中給出了幾個(gè)例子來(lái)演示 ZStack 協(xié)議棧，每個(gè)例子對(duì)應(yīng)一個(gè)項(xiàng)目。 項(xiàng)目 SimpleApp 中的 tasksArr 函數(shù)數(shù)組代碼見程序清單 。 ZStack 協(xié)議棧架構(gòu)及操作系統(tǒng)實(shí)體如圖 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論