【正文】 CU（ 8051），具有 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(mén)狗定時(shí)器（ WatchDog Timer）、 32 kHz晶振的休眠模式定時(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。 比較而言， Ti 的 CC2430 片上系統(tǒng)集成了 MCS51 單片機(jī)的 SOC，容易上手，其價(jià)格也是非常有優(yōu)勢(shì)的，特別是 TI 公司免費(fèi)提供了 ZigBee 協(xié)議?！?ZSTACK”，給用戶進(jìn)行 ZigBee 的應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大便利，因此，本方案選用 CC2430 進(jìn)行課題研究。 CC2430 的射頻和模擬部分實(shí)現(xiàn)了相關(guān)物理層的操作。 CC2430 的尺寸只有 7mm 7mm 的 48pin 封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 25 m CMOS 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 就開(kāi)發(fā)工具而言， Ember 提供 Ember InSight Development Environment。 Cskip（ d） =1+Cm*（ Lmd1） 若 Rm=1 Cskip（ d） =(1+CmRmCm*Rm^(Lmd1))/(1Rm) 若 Rm！ =1?? ()式 一個(gè)深度為 d 的父節(jié)點(diǎn)給它的子節(jié)點(diǎn)分配地址，其第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的地址為父節(jié)點(diǎn)地址加 1，地址塊前面部分分配給路由 ZR（ Zigbee Router）子節(jié)點(diǎn)，后面部分分配給終端 ZE（ Zigbee End Device）子節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)地址的具體計(jì)算公式如式 所示： An= Aparent +Cskip（ d） *(n1)+1 ， 1= n =Rm ,Router An= Aparent+Cskip(d)*Rm+n , 1= n =(CmRm),EndDevlce? An表示子節(jié)點(diǎn)地址， Aparent 表示父節(jié)點(diǎn)地址，的表示父節(jié)點(diǎn)的深度，范圍值為0= d =Lm. Zigbee路由算法 Zigbee標(biāo)準(zhǔn)提供了星狀網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)幀：其 NWK 負(fù)荷域?qū)?yīng)于 APS 層的 APDU。 通用的幀類(lèi)型格式 NWK 幀由幀頭和幀負(fù)荷兩部分組成。 2） 、 Active 掃描 Active 信道掃描使得設(shè)備獲取在其物理通訊范圍內(nèi)所有潛在父節(jié)點(diǎn)的 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 15 信標(biāo)幀。接收端接收到該幀后，立即向發(fā)送端反饋應(yīng)答幀，并將該接收幀傳給上層。 CSMA/CA采取了三種檢測(cè)信道空閑的方式：能量檢測(cè)（ ED）、載波檢測(cè)（ CS）和能量載波混臺(tái)檢測(cè)。信號(hào)幀：具有父節(jié)點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送信標(biāo)幀，告知自己的相關(guān)信息，如是否允許新節(jié)點(diǎn)加入。MAC層含數(shù)據(jù)幀、命令幀、信標(biāo)幀、應(yīng)答幀，幀格式及不同類(lèi)型幀的格式特點(diǎn)如下： 表 23 MAC 幀格式 [1] 字節(jié)： 2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 長(zhǎng)度可變 2 幀控制域（ FCF） 幀序列碼 接收端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào) 接收端設(shè)備地址 發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào) 發(fā)送端設(shè)備地址 幀載荷 FCS 地址域 偵頭 MAC 負(fù)荷 幀尾 通用的 MAC幀（ MPDU）格式如表 23所示，包括幀頭（ MHR）、 MAC幀載荷域及幀尾三部分組成。 物理層 (PHY)數(shù)據(jù)包的格式 物理層的幀（ PPDU）的格式如下表所示， 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。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9 圖 22 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 兩種工作模式 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（ Beaeon）和非信標(biāo)（ Nonbeaeon）兩種模式 ,信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有 設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許 ZE進(jìn)行周期性休眠， ZC和所有 ZR設(shè)備必須長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。 協(xié)調(diào)器：一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò) PAN（ PersonalArea Network）有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力。管理服務(wù)通過(guò) MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問(wèn)高層， MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持層（ APS）、Zigbee設(shè)備對(duì)象（ ZDO）及由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。無(wú)線語(yǔ)音通信則屬于即時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，雖然實(shí)現(xiàn)無(wú)線語(yǔ)音通信不是 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)最初的目標(biāo)，但在許多領(lǐng)域中如果沒(méi)有語(yǔ)音通信功能，將使其應(yīng)用受到很大的局限；另一方面，在有緊急需求和布置不易環(huán)境下（如礦井井下救援、消防搶救）， ZigBee具有其他通信技術(shù)難以替代的優(yōu)勢(shì)，如能利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向語(yǔ)音傳輸則具有非常大的實(shí)用價(jià)值；同時(shí)，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數(shù)據(jù)正是聲音傳感應(yīng)用的基本要求。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來(lái)其應(yīng)用可以涉及到人類(lèi)日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。 ZigBee在中國(guó)的應(yīng)用也愈加廣泛。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀：我國(guó)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)。因而它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動(dòng)控制設(shè)備、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、醫(yī)護(hù)（如監(jiān)視和傳感）、家庭智能控制（如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警）、消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備的遙控裝置、 PC外設(shè)的無(wú)線連接等領(lǐng)域。 時(shí)延短 : 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短 ,典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是 15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。使用的頻段分別為 、 868MHz（歐洲） 及 915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段，具有 16個(gè)擴(kuò)頻通信信道。 WSN的節(jié)點(diǎn)對(duì)功耗的需求極其苛刻，傳感器節(jié)點(diǎn)需要在危 險(xiǎn)（比如戰(zhàn)場(chǎng)、核輻射）的區(qū)域持續(xù)工作數(shù)年而不更換供電單元。系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音無(wú)線傳輸，發(fā)射功率小于 0 dBm，語(yǔ)音延時(shí)小于 25ms，傳輸距離達(dá)到 15 米，音質(zhì) MOS測(cè)試分達(dá)到 3 分以上。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數(shù)據(jù)正是聲音傳感應(yīng)用的基本要求，所以本論文針對(duì)，提出實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的研究課題。數(shù)據(jù)傳輸速率低。所以 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)非常符合 WSN的需要。據(jù)估算 ,ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié) 5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá) 6個(gè)月到 2年左右的使用時(shí)間 ,這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn) 題可以進(jìn)行重發(fā)。設(shè)想應(yīng)用于大樓與家庭的無(wú)線傳感器以及安全管理方面。 到 20xx年 4月，已有 Chipcon、 Freescale、 CompXs、 Ember四家公司通過(guò)了 ZigBee聯(lián)盟對(duì)其產(chǎn)品所作的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。這一預(yù)言正在從 ZigBee聯(lián)盟及其成員近期的一系列活動(dòng)和進(jìn)展中得到驗(yàn)證。 研究目的和意義 ZigBee技術(shù)作為一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它依據(jù) IEEE ，在數(shù)千個(gè)微 小的傳感器之間通過(guò)相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，其主要特性包括：具有多跳傳送（ multihop relay）機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能好、布設(shè)容易以及具有自組織與自修復(fù)能力。 Zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 ，它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的 7層開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（ OSI）模型，但僅對(duì)那些涉及 Zigbee的層予以定義。 在 IEEE 27 個(gè)具有 3種速率的信道； 16個(gè)速率為 250Kb/s的信道； 915MHz頻道有 10個(gè) 40Kb/s的信道； 868MHz頻段有 1個(gè) 20Kb/s的信 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 7 道。每種數(shù)據(jù)符號(hào)被映射成 32位偽噪聲碼片，以便傳 輸。 兩種功能類(lèi)型設(shè)備 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備 FFD（ Full function device）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備 RFD（ Reduced function device）兩種功能類(lèi)型的設(shè)備。 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或 多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通訊外，其他只能通過(guò)樹(shù)狀路由完成消息傳輸。鏈路質(zhì)量要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，生成的是信噪比指示，提供接收數(shù)據(jù)幀是的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度和治療信息。 LLC自層在 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。MAC層幀頭的接收端設(shè)備和發(fā)送端設(shè)備屬于單跳關(guān)系。 1）、 CSMACA傳輸機(jī)制 基于 ， MAC子層發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀須使用 CSMACA機(jī)制訪問(wèn)信道，以減少由于幀發(fā)送沖突而帶來(lái)的不必要的能量損耗。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時(shí)，可以通過(guò)置位幀控制域的 Ack request子域，實(shí)現(xiàn) MAC層的幀應(yīng)答重傳。 每個(gè)信道的掃描過(guò)程是先設(shè)置信道號(hào)，然后對(duì)該信道進(jìn)行多次 ED 測(cè)試，直到耗盡最長(zhǎng)時(shí)間 aBasesuperframeDuration*（ Zn+l）（ n是 MLM 原語(yǔ)中 Scanduration），然后將此次所有測(cè)試的 最大 ED值記錄下來(lái)，作為該信道的 ED 測(cè)量值。 orphan信道掃描過(guò)程，節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送 orphan notification命令幀，只有原父節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到該幀后才會(huì)反饋 coordinator realignment 命令幀，這一過(guò)程只允許在aResponsewaitTime 時(shí)間內(nèi)完成。 e、路由半徑域：指出該幀的最大傳輸半徑覆蓋范圍，每被設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)一次，該值就減 1，當(dāng)值為 0 時(shí)，該幀不再被轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)地址是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由其父節(jié)點(diǎn)分配給它。該路由算法的主要思想是按需路由和最短路徑開(kāi)銷(xiāo)路由選擇。它包含一個(gè)高性能 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集成了 4 個(gè)振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作。 CC2430 還具有強(qiáng)大的完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境（ IDE）。這種解決方案能夠提高性能并西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 26 滿足以 ZigBee為基礎(chǔ)的 ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。 支持硬件調(diào)試功能 外設(shè) CSMA/CA 硬件支持 數(shù)字化 RSSI / LQI 支持 電池電壓檢測(cè)和溫度感測(cè) 8 路 12 位 ADC 分辨率可配置 集成 AES 安全協(xié)處理器 2 個(gè)增強(qiáng)的 USARTS 可支持幾組串行協(xié)議 21 I/O ，其中 2 個(gè)具備 20ma 吸入電流 /供電電流能力 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 28 開(kāi)發(fā)工具 強(qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具 應(yīng)用領(lǐng)域 GHz IEEE 系統(tǒng) /Zigbee 系統(tǒng) 家具智能化 工業(yè)控制和監(jiān)視 低功率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) PC 外設(shè) /機(jī)頂盒及遙控，消費(fèi)電子 CC2430芯片的引腳功能 如下 CC2430芯片的頂視圖。 3）全部 21個(gè)數(shù)字 I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。內(nèi)部 T/R交換電路完成 LNA和 PA之間的交換。另外其使用的某些器件如 32MHz 3mm*，價(jià)格也較高，故換成5mm*6mm的，體積略大但不會(huì)有太大影響，價(jià)格便宜也容易購(gòu)買(mǎi)。 硬件電路的設(shè)計(jì) ①語(yǔ)音的采集電路，首先要選擇語(yǔ)音采集芯片 — APR9600，下圖為芯片 APR9600管腳排列： 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 32 圖 36 芯片 APR9600 管腳排列 注： 表 32 管腳功能說(shuō)明 管腳 功能 管腳 功能 M1 第一段控制或連續(xù)錄放控制（低電平有效） 1 SP 外接喇叭負(fù)端 M2 第一段控制或連續(xù)快進(jìn)控制（低電平有效） 1 VCCA 模擬電源正端 M3 第三段控制（低電平有效） 1 MICIN 話筒輸入端 M4 第四段控制（低電平有效） 1 MICREF 話筒輸入基準(zhǔn)確 M5 第五段控制（低電平有效） 1 AGC 自動(dòng)增益控制端 M6 第六段控制（低電平有效） ANAIN 線路輸入端 OSCR 震蕩電阻 2 ANAOUT 線路輸入端（話筒 放大器輸出端） M7 第七段控制及片溢出指示（低電平有效） 2 STROBE 工作期間閃爍指示燈輸出端（低電平有效） M8 第八段控制（低電平有效）及操作模式選項(xiàng) 2 CE 復(fù)位、停止或啟動(dòng)鍵、停止鍵（高電平有效） BUSY 忙信號(hào)輸出（工作時(shí)為 0，平時(shí)為 1） 2 MSEL1 模式設(shè)置端 1 BE 鍵聲選擇（按 1 為有鍵聲， 0 則無(wú)） 。 硬件總體構(gòu)架 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 31 語(yǔ)音通信系統(tǒng)的