【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單且靈活的協(xié)議： ① 采用 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 64 bit 和 16 bit 短地址； ② 基本網(wǎng)絡(luò)容量可以達(dá)到 254 節(jié)點(diǎn)； ③ 可以配置使用大于 65， 000（ 216）節(jié)點(diǎn)的本地簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，而且開(kāi)銷不大； ④ 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（ FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（ RFD）等 3 種指定設(shè)備； ⑤ 簡(jiǎn)化幀結(jié)構(gòu)； ⑥ 可靠的數(shù)據(jù)傳輸； ⑦ 聯(lián)合 / 分離； ⑧ AES 128 安全機(jī)制； 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) ⑨ CSMA CA 通道； ⑩ 可選的使用信標(biāo)的超級(jí)幀結(jié)構(gòu)。 子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和 MAC 命令幀等 4 種幀類型。只有廣播幀和數(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 MAC 子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，而數(shù)據(jù)幀和 MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過(guò)了 CRC 校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動(dòng)重傳該幀。 這就是 MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^(guò)程。 MAC 層的通用幀格式如圖 所示。 2 1 0~20 變量 2 幀控制 序列號(hào) 地址信息 凈荷 幀校驗(yàn)系列 圖 ：幀格式 . 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層。 標(biāo)準(zhǔn)定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等 ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討周怡窹，等 802 系列標(biāo)準(zhǔn)中，而MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同物理層的實(shí)現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些不可或缺的任務(wù)。 圖 ： ZigBee 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)準(zhǔn)草案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括圖 所示的新型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ Mesh）。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等要求低延遲等待接入的應(yīng)用一般采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 其 它一些應(yīng)用，如周邊安全等可能要求大面積網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。多址的形式包括 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 64 位和短地址 8 位。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型： 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 ：包括所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是 3 種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。 全功能設(shè)備： 可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的 FFD 或是精簡(jiǎn)功能裝置（ RFD）連結(jié)， FFD 具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部 功能和所有特征 更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由作用。 也可能做終端設(shè)備 精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）： RFD 只能傳送信息給 FFD 或從 FFD 接收信息。 附帶有限的功能來(lái)控制成本和復(fù)雜性 在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。 ZigBee 相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。 RFD 由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee 部件成本，而簡(jiǎn)單的 8 位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 第 2章 系統(tǒng)原理分析與整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)是基于 ZigBee 技術(shù)，一般無(wú)線傳輸距離 10M 到 100M 和低功耗的特點(diǎn)及多元化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一款便攜式的 多路無(wú)線搶答器。系統(tǒng)在完成基本模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括 ZigBee 無(wú)線發(fā)射 /接收模塊的設(shè)計(jì)和電源電路，按鍵電路，復(fù)位電路和顯示電路的設(shè)計(jì)。軟件方面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)和抗干擾措施設(shè)計(jì)，按鍵設(shè)計(jì)和顯示程序設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)工作原理：各個(gè)節(jié)點(diǎn)識(shí)別按鍵狀態(tài)，如果按鍵有變化將立即和協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器將第一個(gè)接收到的節(jié)點(diǎn)號(hào)碼顯示出來(lái)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電源電路、按鍵電路和復(fù)位電路。 第 系統(tǒng)目標(biāo) 系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)一款便攜式的，實(shí)用的多路無(wú)線搶答器。 第 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 系統(tǒng)是基于 ZigBee 技術(shù)一般無(wú)線傳輸距離 10M 到 100M 和低功耗的特點(diǎn)及多元化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一款便攜式的多路無(wú)線搶答器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)好基礎(chǔ)模塊后進(jìn)行ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。其中基礎(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)包括 ZigBee 無(wú)線發(fā)射 /接收模塊的設(shè)計(jì)和 ZigBee 芯片 CC2430 低功耗的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的電源電路，基本的按鍵電路，復(fù)位電路和顯示電路的設(shè)計(jì)。以上就是整個(gè)電路的硬件電路。 軟件方面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)和抗干擾措施設(shè)計(jì)，按鍵設(shè)計(jì)和顯示程序設(shè)計(jì)等。 第 系統(tǒng)工作原理 節(jié)點(diǎn)和協(xié) 調(diào)器之間組網(wǎng)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)識(shí)別按鍵狀態(tài)，如果按鍵有變化將立即和協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器將第一個(gè)接收到的節(jié)點(diǎn)號(hào)碼顯示出來(lái)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電源電路、按鍵電路和復(fù)位電路。圖 為系統(tǒng)的原理框圖。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 第 主芯片 CC2430 的特點(diǎn)介紹 系統(tǒng)主芯片 CC2430 整合了業(yè)界領(lǐng)先的 IEEE CC2420 以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 MCU 的卓越性能，還包括了 8KB 的 SRAM、大容量閃存以及許多的強(qiáng)大特性。系統(tǒng)采用的是 CC2430F128，也就是說(shuō)芯片擁有128KB 的閃存。 CC2430 片上系統(tǒng)是高度集成的解決方案，僅需很少的外置元件，且所選用元件均為低成本型，可支持快速、廉價(jià)的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。 CC2430 不僅擁有卓越的射頻性能，包括超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲和抗干擾能力而且擁有強(qiáng)大的 8 位、單周期 8051 控制核心。 CC2430 可用于 ZigBee 協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。結(jié)合了TI/Chipcon 業(yè)界領(lǐng)先的 ZigBee 協(xié)議棧之后， CC2430 被認(rèn)為是市面上最具競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee 解決方案。 CC2430 具有如下特性： 高性能低功耗的 8051 微控制器核； 集成符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 的 RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)； 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性； 硬件支持 CSMA/CA 功能； 在休眠模式時(shí)僅 的流耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式時(shí)少于 流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)； 較寬的電壓范圍（ ~）； 協(xié)調(diào)器 顯示 節(jié) 點(diǎn) 電源 圖 系統(tǒng)原理方框圖 節(jié) 點(diǎn) 節(jié) 點(diǎn) 按鍵 按鍵 按鍵 按鍵 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持強(qiáng)大的 DMA 功能； 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC； 集成 AES 安全協(xié)處理器； 帶有 2 個(gè)強(qiáng) 大的支持幾組協(xié)議的 USART，以及 1 個(gè)符合 IEEE 規(guī)范的MAC 計(jì)時(shí)器， 1 個(gè)常規(guī) 16 位計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位計(jì)時(shí)器。 第 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星形網(wǎng)：基本的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)單跳（ single_hop）系統(tǒng) ,網(wǎng)絡(luò)中所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信。基站可以是一臺(tái) PC、 PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其他與高數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)基本相同。除了向各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與因特網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點(diǎn)將基站作為一個(gè)中間的，使相互之間傳輸數(shù)據(jù)或命令。 在各種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之中，星形網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點(diǎn)與基站間傳輸距離有限，通常 ISM 頻段的傳輸距離為 10M~30M。 網(wǎng)狀網(wǎng)：網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多跳（即多次中繼）系統(tǒng)，其中所有無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)都相同，而且直接相互通信，與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和相互傳輸命令。這種多次中繼系統(tǒng)比星形網(wǎng)的傳輸距離遠(yuǎn)得多，但功耗更大，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)必須一直“監(jiān)聽(tīng)”網(wǎng)絡(luò)中某些路徑上的信息和變化。 混合網(wǎng)：混合網(wǎng)力求兼具星形網(wǎng)的簡(jiǎn)潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長(zhǎng)傳輸距離和自愈性等優(yōu)點(diǎn)。在混合網(wǎng)中，路由器和中繼器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)則在他們周圍呈星形分布 。擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，同時(shí)提供了容故障能力。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 硬件電路和實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的主要芯片 CC2430 為低功耗芯片所需的供電電源僅需 (~)，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 LM1117 的 5V轉(zhuǎn) ，如圖 所示。 +ADJ/G1Vout2Vin3U4InPowerC4110uFC4210uF 圖 電源電路 如圖所示， 3 腳和地為輸入加 +5V， 2 腳輸出 2 腳之間加兩個(gè) 10uf的極性電容。 采用 LM1117— 的原因在于它有以下優(yōu)勢(shì)： 輸入范圍大于 ,可以穩(wěn)定輸出 。 輸入電壓范圍寬可以滿足 ~7V的變化輸入。 操作溫度 0~125 度，儲(chǔ)存溫度 65~150 度 。 電路簡(jiǎn)單，可靠性高。 第 指示燈電路 系統(tǒng)為了讓實(shí)驗(yàn)的效果更明顯接了電源指示燈和通信指示燈，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信即發(fā)送或接收信號(hào)時(shí)紅綠指示燈會(huì)交替閃爍，正常情況下，綠燈亮，紅燈滅，如圖 所示。 R11K+D1RedR321KR331KD3GreenD4Red通信指示燈電源指示燈 圖 指示燈電路 第 按鍵電路 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)按鍵時(shí)，進(jìn)行了軟件和硬件的消除抖動(dòng)設(shè)計(jì)。 軟件通過(guò)延時(shí)再判斷的方法蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 實(shí)現(xiàn)按鍵消抖設(shè)計(jì)， 硬件通過(guò)電容緩沖消抖動(dòng)設(shè)計(jì)， 具體的按鍵電路如下圖所示。 S1C1GND 圖 按鍵電路 第 顯示電路 fgedcbaCDS1顯示電路Q19012DIR1A12A23A34A45A56A67A78A89GND10VCC20G/19B118B217B316B415B514B613B712B81174LS245GND+100R6GND 圖 顯示電路 系統(tǒng)在顯示電路方面，使用 74LS245 實(shí)現(xiàn)段驅(qū)動(dòng)，用三極管實(shí)現(xiàn)位驅(qū)動(dòng)。具體的電路如圖 所示。 采用 74LS245 做驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)有如下： 供電電壓范圍： ~，系統(tǒng) 5V電壓可以正常給它供電。 操作溫度 0 到 70 度滿足日常應(yīng)用。 最大輸入電壓時(shí)輸入電流 MA,不能說(shuō)省電但是至少相對(duì)不會(huì)太耗電，滿足該系統(tǒng)需求。 第 節(jié)點(diǎn)模塊電路（ CC2430） 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) GND1GND2DC/3DD/45SO/6SI/7CLK/8CSN/91011RST141516171819202122VDD23GND241312U3DTD243AGNDRF123456789101112CN312 HEADER123456789101112CN412 HEADERD243ARST1 2 3JP5+R3610kC102PB1P_Reset+C10110210KR3GND 圖 節(jié)點(diǎn)模塊電路 節(jié)點(diǎn)模塊主要由： 主芯片、 電源、地和復(fù)位電路組成。 該芯片總共有 40 個(gè)引腳，