【文章內容簡介】 術傳送的數據量不大，傳輸速率低，因此信號收發(fā)耗時很短；在非運行模式下 ZigBee 節(jié)點處于睡眠狀態(tài)。普通情況下兩節(jié)五號干電池可以持續(xù)供電 6 個月到 1 年左右。 （２）可靠性： ZigBee 的媒體接入控制層使用了免碰撞機制和重發(fā)機制，同時預留了專用時隙滿足需要固定帶寬的通信業(yè)務，避免了數據傳輸時的沖突。只有確定的數據傳輸模式被 MAC 層支持，每個數據包都必須等到接收方的確認信息后再發(fā)送出去，這樣建立了可靠的通信模式。 （３）時延短： 喚醒休眠狀態(tài)和通信時延的時延都很短。裝置搜索時延為 30ms，喚醒休眠狀態(tài)時延為 15ms，活動裝置網絡接入時延為 15ms。這樣既降低了能耗，也更適應于對時延要求高的情況。 （４）網絡容量大： ZigBee 可采用星狀、串狀和網狀等網絡結構， ZigBee 是一個由可多到 65000 個無線數據傳輸模塊組成的一個無線數據傳輸網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個 ZigBee 無線數據傳輸模塊之間可以相互通信。 （５）安全性： ZigBee 加密算法使用 。 系統(tǒng)設計的總體方案 系統(tǒng)的總體介紹 本系 統(tǒng)由數據匯聚模塊，監(jiān)測模塊和上位機三部分組成。數據匯聚模塊負責組建 ZigBee 網絡，完成監(jiān)測模塊與上位機（ PC）數據的透明傳輸；監(jiān)測模塊負責采集、存儲、上傳儀器設備信息。數據匯聚模塊通過 USB 口與上位機相連。上位機有監(jiān)控界面可以監(jiān)測儀器設備使用情況（監(jiān)測模塊位置在數據匯聚模塊的網絡覆蓋范圍內），多個監(jiān)測 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 6 節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個監(jiān)測節(jié)點把數據傳給匯聚節(jié)點，在匯聚節(jié)點完成數據融合，然后匯聚節(jié)點把數據通過 USB 口傳給上位機做進一步處理并顯示給管理員。上位機監(jiān)控界面需要顯示所有儀器設備的地址，設備的使用情況等。 ZigBee 無線技術采集網絡方案 ZigBee 定義了兩種設備 :全功能設備 ( FullFunction Device,FFD)和精簡功能設備( ReducedFunction Device,RFD)。支持星型、樹型和網狀型 3種網絡拓撲結構。每個 ZigBee的網絡需要一個全功能設備作為網絡協(xié)調器（ coordinator)或者路由器 ( router) ,精 簡功能設備作為終端 ( end device)。網絡協(xié)凋器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點這 3種節(jié)點類型都是網絡層概念。它們的部署決定了網絡拓 撲形式。不論 ZigBee 網絡采用何種拓撲方式。網絡中都需要有一個并且只能有一個網絡協(xié)調器節(jié)點。它是整個網絡的規(guī)則制定者 ,管理整個 網絡的設備。它可以選擇信 道 的頻段 ,允許加入節(jié)點 和刪除節(jié)點。路由節(jié)點可以轉發(fā)數 據 ,延 伸 ZigBee 網絡規(guī)模。主要用于樹型和網型拓撲結構中。路由節(jié)點不能夠休眠。終端節(jié)點主要任務是發(fā)送和接收信息。節(jié)點類型的定義和節(jié)點在應用中所起到的作用并不相關。 ZigBee 網絡的支持星型 ,樹狀型和網狀型 3種網絡拓撲結構 ,如圖 。 圖 ZigBee 網絡拓撲結構 以上 3 種網絡拓撲結構中星型網絡由一個 PAN 協(xié)調器和多個終端設備組成 ,只存在協(xié)調器 路由器 終端設備 星形網絡 網狀網絡 樹狀網絡 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 7 PAN 協(xié)調器與終端 設備的通訊 ,終端設備間 的通訊都需通過 PAN 協(xié)調器的轉發(fā) 。樹狀型網絡由一個協(xié)調器和一個或多個星狀結構連接而成 ,設備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通 訊外 ,其他只能通過樹 狀路由完成消息 傳輸 。網狀型網絡 是樹狀網絡基礎上實 現的 ,與樹狀網 絡不同的 是 ,它允許網絡中所有具 有路由功能的節(jié) 點直接互連 ,由 路由器中的路由表配合實現消息的網狀路由。該拓撲的優(yōu)點是減少了 消息延時 ,增強了 可靠 性 ,缺點是需要更 多 的存儲空間開銷。 ZigBee 節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統(tǒng)。 ZigBee 網絡具有動態(tài)性 ，它 的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。 結合儀器設備分布實際 情況 ,網絡采用樹狀網絡結構 ,包 含傳感器的終端節(jié)點 ,路由器節(jié)點和網關節(jié)點 ,整個采集網 絡平面如下圖所示。 圖 ZigBee 無線傳感網絡 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 8 硬件節(jié)點設計方案 協(xié)調器節(jié) 點 :協(xié)調器節(jié) 點含有 PC 通信 接口 ,實現與上 位機 的通信 。功放和天線 ,負 責與其它主控節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數 據 。電源單元 供給整個節(jié)點電源分配。圖 為協(xié)調器節(jié)點硬件框圖。 圖 協(xié)調器節(jié)點硬件框圖 路由和終端節(jié)點 :路由和終端節(jié)點由傳感器，數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等 功能模塊組 成 ,如圖 。傳感器負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數據轉換 。數據處理單元以 CC2430 為核心處理器負責控制整個節(jié)點的處理操作、功耗管理以及任務管理等 。數據傳輸單元由功放和天線 等組成 ,負責與其他 主控節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數據 。電源單元為整個系統(tǒng)供電。圖 為路由和終端節(jié)點框圖。 圖 路由器和終端節(jié)點框圖 CC2430 功放和天線 PC 上位機 電源管理模塊 CC2430 功放和天線 電流互感器 電源管理模塊 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 9 3 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件總體設計 系統(tǒng)硬件總體設計方案如下圖所示： 圖 系統(tǒng)硬件總體設計方案 圖 中的 CC2430 射頻傳輸控制模塊主要負責基于 ZigBee 協(xié)議的無線通信； USB控制器主要功能是將上位機的 USB 信號轉換成 TTL 信號進行通信；電源管理模塊為整個系統(tǒng)提供 12V、 5V 和 三路電；外設部分包含了系統(tǒng)中全部的外部資源，分別是：CC2430 仿真器和電流互感器。其中射頻傳輸控制模塊是整個系統(tǒng)的核心。 ZigBee 模塊的設計主要參考 CC2430 芯片數據手冊的參考電路。系統(tǒng)中采用 CC2430 芯片作為核心部件， CC2430 有 兩種工作電壓，性能穩(wěn)定且功耗極低。工作時只需要配置少數的外部元器件來完成信號的收發(fā)。它集成了 RF 收發(fā)器，可編程內存和一個具有 8051 內核的為控制器、 21 個可編程的 I/O 口引腳和 14 位模數轉換器。本設計主要完成的功能，是對實驗室的儀器設備進行管理。 整個電路圖主要分為四大部分：一是核心部件 CC2430 芯片的電路設計，負責數據處理和無線信號的收發(fā)。二是電源部分，把外部 12V 的電壓轉換成所需要的 5V 和 V 電壓。三是輸出轉換電路，與計算機進行通信時，需要采用 PL2303X 芯片對通信信號進行轉換，將 TTL 信號轉換為 USB 信號。四是仿真調試電路，利用仿真器，對實驗電路板進行性能調試，同時可以對系統(tǒng)進行編程，實現其功能。 USB 線纜 USB 控制器 CC2430 射頻傳輸控制模塊 電源管理 模塊 外設部分 通用 I/O DC 復位 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 10 射頻模塊設計 硬件部分的設計主要以系統(tǒng)中的核心模塊 —— 射頻傳輸控制模塊來展開說明。射頻傳輸模塊使每個終端可以和其他設備進行通信包括網絡維護和數據傳輸。無線射頻收發(fā)芯片的種類和數量繁多，其工作的頻段也有 433MHz， 968MHz,以 及 ZigBee 使用的 GHz 等。目前 Chipcon、 Freescale 等公司都著力于開發(fā)工作在 的 ZigBee 適用的芯片。選用理想的無 線收 發(fā)芯片可以減少開發(fā)難度 ,縮短開發(fā)周期 ,降低成本 ,更快地 將產品推向市場。選擇 的無線收發(fā)芯片時也應考慮了收發(fā)芯片所需的外圍元件數量、發(fā)射功率、收發(fā)芯片的封裝和管腳數幾個因素，最終選用 Chipcon 公司的 CC2430 ZigBee 傳輸芯片。 CC2430 芯片 CC2430芯片延用了以往 CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了 ZigBee射頻 (RF)前端、內存和微控制器。它使用 1 個 8 位 MCU(8051)，具有 128KB 可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數字轉換器 (ADC)、幾 個定時器 (Timer)、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器 (Watchdogtimer) 、 32KHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Poweronreset)、掉電檢測電路 (Brownoutdetection)，以及 21 個可編程 I/O 引腳。 CC2430 包含一個增強型工業(yè)標準的 8 位 8051 微控制器內核，運行時鐘 32MHz。包含一個 DMA 控制器，具有 8KB 的靜態(tài) RAM,其 中的 4KB 是超低功耗 SRAM。 32kB、 64kB或 128kB 的片內 Flash 塊提供電路可編程非易失性存儲器。集成了 4 個振蕩 器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：一個 32MHz 晶體振蕩器、一個 16MHzRC 振蕩器、一個可選的 晶體振蕩器和一個可選的 RC 振蕩器。同時也集成了用于用戶自定義應用的外設。一個 AES 協(xié)處理器被集成在 CC2430 內，以支持 IEEE MAC安全所需的 (128 位關鍵字 )AES 的運 行 ,以 實現盡可能少地占用微控制器。中斷控制器為總共 18 個中斷源提供服務，其中的每個中斷都被賦予了 4 個中斷優(yōu)先級之一。調試接口采用兩線串行接口，該接口被用于電路調試和外部 Flash 編程。 I/O 控制 器的職責是對21 個通用 I/O 口的靈活分配和可靠控制。 CC2430 內部結構如圖 所示： 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 11 圖 CC2430 內部結構 CC2430 的主要性能參數如下： (1) 采用 IEEE 規(guī)范要求的直接序列擴頻方式； (2) 數據速率達 250Kbps，碼片速率達 2MChip/s； (3) 采用 OQPSK 調制方式； (4) 超低電流消耗 (， TX： )，高接收靈敏度 (95dBm)； (5) 抗鄰頻道干擾能力強 (30/45dB)； (6) 內部集成有 VCO、 LNA、 PA 以及電源整流器，采用低電壓供電 (~)； (7) 輸出功率編程可控； (8) IEEE MAC 層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、 16bit CRC 校驗、電源檢測、完全自動 MAC 層安全保護 (CTR、 CBCMA)； 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 12 (9) 與控制微處理器的接口配置容易 (4 總線 SPI 接口 )； (10) 開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件和演示套件； (11) 采用 封裝，外形尺寸只有 7*7mm。 ZigBee 射頻模塊設計 無線通信模塊包括 CC2430 芯片及其相關外圍電路。 由于 CC2430 將 8051 內核與無線收發(fā)模塊集成到了一個芯片當中，從而簡化了電路設計過程，省去了單片機和無線收發(fā)芯片之間接口電路的設計，縮短了硬件開發(fā)周期。 CC2430 芯片需要很少的外圍部件配合就能實現信號的收發(fā)功能。電路使用一個非平 衡天線 ,連接非平 衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容 C7 和電感 L L L3 以及一個 PCB 微波傳輸線組成，整個結構滿足 RF 輸入 /輸出匹配電阻 (50Ω)的要求。 R2 和 R1 為偏置電阻，電阻 R2 主要用來為 32MHz 的晶振提供一個合適的工作電流。用 1 個 32MHz 的石英 諧振器（ XTAL1）和 2 個電容（ C11 和 C10）構成一個 32MHz 的晶振電路。用 1 個 8 KHz 的石英諧振器（ XTAL2）和 2 個電容（ C8 和 C9）構成一個 KHz 的晶振電路。電壓調節(jié)器為所有要求 電壓的引腳和內部電源供電， C12 和 C13 電容是去耦合電容 ,用來電 源濾波 ,以提高芯片 工作的穩(wěn)定性。其電路原理圖如圖 所示： 圖 基于 CC2430 的 ZigBee 收發(fā)電路原理圖 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 13 射頻模塊包含 CC2430 及其基本外圍 電路 ,包括 供電、時鐘和 天線 ,在將程序 燒入其內部 ROM 以后就可以實 現各種功能。射頻模塊