【正文】 總體架構(gòu)為：以 CC2430 ZigBee單芯片為核心，利用其 8051單片機(jī)內(nèi)核的 ADC外設(shè)完成對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換，利用 PWM功能構(gòu)成 DAC完成語(yǔ)音的播放，數(shù)據(jù)的收發(fā)則通過(guò)片內(nèi)的 RF前端完成，外圍附加放大與濾波電路。用 1個(gè) 32 MHz的石英諧振器（ XTAL1）和 2個(gè)電容（ C191和 C211）構(gòu)成一個(gè) 32 MHz的晶振電路。電源線引腳主要作用是為 I/O、模擬電路、 RF電路、數(shù)字電路提供電壓。 圖 32 CC2430 引腳頂視圖 [8] 注： CC2430芯片采用 7 mm 7mm QLP封裝，共有 48個(gè)引腳。 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。此外，像網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用 Profile 建立和系統(tǒng)調(diào)試這樣的工具是使 CC2430 和ZStack 結(jié)合的額外要素。 CC2430 包括四個(gè)定時(shí)器，此外， CC2430 內(nèi)集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘、上電 復(fù)位、 8通道 8 位 12 位 ADC 等其他外設(shè)。 CC2430 的設(shè)計(jì)結(jié)合了 8KB 的 RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有 3 種不同的版本，根據(jù)不同的閃存空間 32KB、 64KB和 128KB 來(lái)劃分，以得到復(fù)雜度與成本的最優(yōu)化組合。 Ember： EM250ZigBee 系統(tǒng)晶片及 EM260 網(wǎng)絡(luò)處理器 兩款晶片均嵌入了 Ember 的 EmberZNet─現(xiàn)時(shí)第二代 ZigBee 通訊協(xié)定，專為使用包括網(wǎng)狀、星狀及群樹(shù)形等多種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)而設(shè)的自動(dòng)組網(wǎng)及自動(dòng)重構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并提供所有與 ZigBee 設(shè)定與標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的優(yōu)勢(shì) 可靠、安全、廣泛的互用性，低成本，長(zhǎng)的電池壽命及整合的網(wǎng)絡(luò)管理。 分布式地址分配機(jī)制，主要基于 nwkMaxDepth、 nwkMaxehildren及nwkMaxRouters 三個(gè)參數(shù)，如下表所示： 表 210 地址分配算法參數(shù)表 [5] 參數(shù)名稱 簡(jiǎn)稱 描述 nwkMaxDepth Lm 網(wǎng)絡(luò)的最大深度 nwkMaxehildren Cm 表示一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)，包括路由或終端子節(jié)點(diǎn) nwkMaxRouters Rm 父節(jié)點(diǎn)允許的路由子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù) 由這三個(gè)參數(shù)，結(jié)合式 ，得出每層的潛在父節(jié)點(diǎn)（ ZR）地址偏移值 Cskip 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 18 （ d）， d 表示深度， Cskip(d)表示 d+l層的潛在父節(jié)點(diǎn)間的地址偏移量，也就是潛在父節(jié)點(diǎn)所能擁有的地址塊尺寸大小。 獨(dú)立的幀類型格式 NWK 幀包括數(shù)據(jù)幀和命令幀。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）位于媒體訪問(wèn)控制層（ MAC）和應(yīng)用層（ APL）之間，主 要功能如 下： a、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU）處理； b、信息路由； c、組網(wǎng)管理； NPDU 數(shù)據(jù)單元處理 NWK 幀分為數(shù)據(jù)幀和命令幀。 待 phyChannelssupported 中的所有信道全部測(cè)試完畢， MAC 層向上層反饋一 原語(yǔ)，告知此次 ED 掃描狀態(tài)結(jié)果。 圖 23 無(wú)應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸 [1] 當(dāng) Ack request子域?yàn)?1時(shí)，發(fā)送端將幀發(fā)送出去后，開(kāi)啟定時(shí)器，等待接收來(lái)自接收端的應(yīng)答幀（ ACK幀）。 CSMA/CA通信方式將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來(lái)，保證某一時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)據(jù)單元對(duì)應(yīng)于 NWK層幀 NPDU（ NWK Protocal data unit），信標(biāo)幀、 ACK幀、命令幀均由 MAC層處理或構(gòu)造。而 MAC層功能更加強(qiáng)大： a、 處理 MPDU； b、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器信標(biāo)產(chǎn)生及與協(xié)調(diào)器信標(biāo)同步； c、 ED 、 ACTIVE和 ORPHAN 機(jī)制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制； d、 利用 CSMA— CA機(jī)制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制； e、 處理與維護(hù)保證時(shí)槽機(jī)制； f、 關(guān)聯(lián)和退出關(guān)聯(lián)功能； MPDU 數(shù)據(jù)單元的處理 MAC層負(fù)責(zé)分 解接受到的 MPDU包，并對(duì)來(lái)自 NWK層數(shù)據(jù)包進(jìn)行 MPDU封裝。 載波信道和頻率的描述 Zigbee的 PHY層： 表 21 標(biāo)準(zhǔn)定義的 PHY 層 [7] 信道編號(hào) 中心頻率 /MHZ 信道間隔/MZ 頻率上限 /MZ 頻率下限/MZ 傳輸速率Kb/S 調(diào)制方式 k=0 有且僅有1 個(gè)信道 20 BPSK k=1?? 10 903+2(k1) 2 40 BPSK k=11?? 26 2401+5(k11) 5 250 PSK 注： 868MHz 是歐洲附加的 ISM頻段， 915MHz 是美國(guó)附加的 ISM頻段，而 為全球通用的 ISM頻段。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間開(kāi)銷。 三種節(jié)點(diǎn)類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器 ZC（ ZigBee Coordinator）、路由器 ZR（ ZigBee Router）和終端設(shè)備 ZE（ ZigBee EndDevice），其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備（ FFD），而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）。 IEEE MAC 層提供兩種服務(wù)： MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC層管理服務(wù)。 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)。 傳統(tǒng)上 ZigBee主要應(yīng)用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、庫(kù)存管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制、災(zāi)害地區(qū)監(jiān)測(cè)、生物監(jiān)測(cè)和監(jiān)督、定位及消防安全等領(lǐng)域，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 ZigBee技術(shù)在 ZigBee聯(lián)盟和 ，結(jié)合其他無(wú)線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)市場(chǎng)，華為、海爾等中國(guó) OEM公司也加入了 ZigBee聯(lián)盟，許多院所展開(kāi)了對(duì) ZigBee的研究。 在舊金山，科學(xué)家將 200多個(gè) Mica2節(jié)點(diǎn)部署在金門(mén)大橋組成 WSN，用以監(jiān)測(cè)大橋從一端到另一端的擺動(dòng)幅度，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)大橋隱患。 ZigBee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率要求不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。低成本對(duì)于 ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。降低 WSN節(jié)點(diǎn)的能量消耗和平衡所有節(jié)點(diǎn)的能量，有必要縮小節(jié)點(diǎn) RF模塊的覆蓋范圍。在休眠狀態(tài)下耗電量?jī)H僅只有 1μ W，通信距離短的情況下工作狀態(tài)的耗電為 30mW，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通 5號(hào)干電池可使用 6個(gè)月以上。語(yǔ)音通信方案充分利用CC2430 SoC 的性能特點(diǎn)，使用芯片內(nèi)部的 ADC 和 APR9600 完成語(yǔ)音采樣及回放，無(wú)需外部的語(yǔ)音編解碼器件且使用的外圍器件很少。 本課題設(shè)計(jì)了基于 CC2430 芯片的 Zigbee 硬件模塊，經(jīng)過(guò)了解，在空曠環(huán)境下 的視距傳輸距離大約 30 米；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于 的語(yǔ)音通信系統(tǒng)方案，開(kāi)發(fā)了硬件試驗(yàn)平臺(tái)，用以研究短距離的無(wú)線語(yǔ)音通信技術(shù)。只有 10kb／ s～ 250kb/s，專注于低傳輸應(yīng)用。有效覆蓋范圍在 10～ 75m之間，但是可以擴(kuò)展到數(shù)百米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 成本低 : ZigBee模塊的初始成本在 6美元左右 ,估計(jì)很快就能降到 — 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 元 , 并且 ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。 安全 : ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能 ,支持鑒權(quán)和認(rèn)證 , 采用了 AES128的加密算法 ,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 三菱電機(jī) 20xx年 9月 29日宣布成功試制出了支持近距離無(wú)線通訊技術(shù) ZigBee的無(wú)線傳感器。飛思卡爾推出全球首個(gè)符合 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)，制造商現(xiàn)在能夠?qū)?ZigBee技術(shù)用于傳感和監(jiān)控應(yīng)用。在標(biāo)準(zhǔn)林立的短距離無(wú)線通信領(lǐng)域， ZigBee的快速發(fā)展可以說(shuō) 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4 是有些令人始料不及的，從 20xx年底標(biāo) 準(zhǔn)確立，到 20xx年底相關(guān)芯片及終端設(shè)備總共賣出 1500億美元，應(yīng)該說(shuō)比被業(yè)界“炒”了多年的藍(lán)牙、 WiFi進(jìn)展都要快。由于 ZigBee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、安全可靠、工作頻段靈活等許多優(yōu)點(diǎn)，很多研究機(jī)構(gòu)將其作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE — 20xx標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質(zhì)接入控制層（ MAC）。這些信道的中心頻段按如下定義 [6]（ k為信道數(shù)）： FC= MHz （ k=0） FC=906 MHz+2（ k1） MHz （ k=1， 2然后，這個(gè)連續(xù)的偽噪聲CHIP 序列被調(diào)制到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控調(diào)制方式。全功能設(shè)備（ FFD）支持標(biāo)準(zhǔn)定義 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 的所有功能和特性；而精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）功能簡(jiǎn)潔，存儲(chǔ)器容量 要求最少。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，由路由器中的路由表實(shí)現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。空閑信道評(píng)估判斷的是當(dāng)前是否處于空閑狀態(tài)，以此來(lái)決定是否發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。 LLC子層的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段和重組，以及確保數(shù)據(jù)包安順序傳輸。 四種 MAC幀格式說(shuō)明： MAC幀含數(shù)據(jù)幀、信標(biāo)幀、 ACK幀、命令幀四種幀類型。 CSMACA以包括載波物理層（ PHY） MAC 層 同步頭（ SHR） 物理頭 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU） 前同步碼： 4b SFD： 1b 幀長(zhǎng)： 1b 物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU） 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU） 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 13 檢測(cè)機(jī)制 和隨機(jī)退避規(guī)則，即等待一段隨機(jī)時(shí)間，隨后通過(guò)檢測(cè)物理信道能量來(lái)判斷當(dāng)前信道是否空閑，若當(dāng)前信道空閑，則占用信道并立即發(fā)送幀，否則，再次重復(fù)上述過(guò)程。 當(dāng) Ackrequest子域?yàn)?0時(shí)，不需要接收端反饋 ACK幀，發(fā)送端默認(rèn)接收端正確收到數(shù)據(jù)幀，通訊流程如下圖所示。如此，一個(gè)信道測(cè)量完畢，隨后切換到下一信道進(jìn)行新一輪的 ED 測(cè)試。一般情況下，若 orphan掃描沒(méi)有成功，則該設(shè)備可重新嘗試 orphan掃描或是尋找新的父節(jié)點(diǎn)加入。 f、序列號(hào)域：設(shè)備 NWK 層所定義的幀序列號(hào)，類似于 MAC 層的幀序列號(hào)，和目標(biāo)端設(shè)備地址及源端設(shè)備地址一起，用于識(shí)別該幀。網(wǎng)絡(luò)地址根據(jù)地址分配算法得出，目前主流的地址 分配算法為分布式地址分配機(jī)制（ Distributed address assignment meehanism），地址間的關(guān)系映射出樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的從屬關(guān)系。西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 24 第三 章 CC2430模塊的硬件設(shè)計(jì) Zigbee芯片的描述 目前市場(chǎng)上有代表性的 Zigbee 芯片有以下幾種： 飛思卡爾： MC1319 MC13192 和 MC13193 平臺(tái) 其中 MC13191 對(duì)應(yīng)低成本應(yīng)用，通過(guò)飛思卡爾提供的軟件，用戶可以組建簡(jiǎn)單的星狀網(wǎng)絡(luò)； MC13192 可以滿足用戶組織自己非標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的需求，飛思卡爾提供符合 的 MAC 軟件，用戶基于此在上面建立自己的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；而 MC13193是 ZigBee 產(chǎn)品，提供 MAC 軟件，再加上 ZigBee MAC 軟件 Zstack，用戶可以基于此建立起 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。其中 MCU 包括存儲(chǔ)器及外圍，其他模塊提供電源管理、時(shí)鐘分配和測(cè)試等重要功能。 CC2430 也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。這包括全面的開(kāi)發(fā)工具，其中包括 CC2430 的硬件和大 量的 C 代碼庫(kù)，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的雙線串行口提供在線交互式的調(diào)試。它結(jié)合一個(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。其中，外露的芯片安裝焊盤(pán)必須接到 PCB的接地層，芯片通過(guò)該處接地。如果需要外部設(shè)備，可對(duì) I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時(shí)外部的中斷事件也能被用來(lái)喚醒休眠模式。 R221和 R261為偏 置電阻，電阻 R221主要用來(lái)為 32 MHz的晶振提供一、合適的工作電流。 表 31 CC2430 模塊的參考設(shè)計(jì) 設(shè)備號(hào) 說(shuō)明 CC2430BALUN_REFDES CC2430 Anaren 不平衡變壓器參考設(shè)計(jì) CC2430DB_REFDES CC2430DB參考設(shè)計(jì) CC2430EM_REFDES CC2430EM 參考設(shè)計(jì) CC2430EM_DISCRETE_REFDES CC2430EM 離散參考設(shè)計(jì) CC2430 模塊的電路圖 圖 34 CC2430 模塊的電路原理圖 硬件方面的設(shè)計(jì) 硬件方案主要的設(shè)計(jì)要求是低成本，為此充分利用 CC2430的 12位 A/D轉(zhuǎn)換器和可編程 PWM通道，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換，從而無(wú)需外部的語(yǔ)音 Codec（編解碼器）器件，降低了成本，系統(tǒng)