【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采集水、電、燃?xì)獾挠昧??？傊?，只要一個(gè)ZigBee 遙控器，就可以控制所有的家電設(shè)備。 工業(yè)控制通過(guò) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集廠區(qū)各種設(shè)備信息，并將信息送達(dá)中央控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以掌握工廠的整體信息。例如，人們可以通過(guò) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)不同區(qū)域溫濕度的監(jiān)控、照明系統(tǒng)感測(cè)；及時(shí)得到機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況信息進(jìn)行生產(chǎn)線流程控制等；結(jié)合 RFID 標(biāo)簽，可以及時(shí)統(tǒng)計(jì)庫(kù)零件配件存量等，這些都可以由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，達(dá)到工業(yè)控制和環(huán)境檢測(cè)的目的。當(dāng)然，目前工廠內(nèi)已有大量的有線控制系統(tǒng)，單“以 ZigBee 為基礎(chǔ)的系統(tǒng)可以對(duì)控制系統(tǒng)和自動(dòng)化的成本削減 50%，單單取消管道、線纜和人工的使用這一項(xiàng)就能削弱高達(dá) 80%的成本”，這些是不容忽視的。 交通運(yùn)輸沿著街道、高速公路和其他地方布置大量 ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)備，人們就不會(huì)再擔(dān)心迷路。安裝在汽車(chē)?yán)锏膶?dǎo)航顯示器會(huì)告訴你當(dāng)前所處的位置，正向何處去。全球定位系統(tǒng)（GPS ）也能提供類(lèi)似的服務(wù)，但是這種新的分布式系統(tǒng)能夠提供更精確、更具體的信息。即使在 GPS 覆蓋不能到的樓內(nèi)或隧道內(nèi)，仍能繼續(xù)使用 ZigBee 系統(tǒng)。從 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠得到比 GPS 更多的信息，如限速，街道是單行線還是雙行線，前面每條街的交通情況或事故信息等。使用這種系統(tǒng)，還可以跟蹤公共交通情況，及時(shí)地趕上下一班車(chē)，而不至于在寒風(fēng)中或在烈日下在車(chē)站登上十分鐘。 醫(yī)院應(yīng)用在醫(yī)院，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以幫助醫(yī)生及時(shí)，準(zhǔn)確地收集急診病人的信息和檢查結(jié)果，快速準(zhǔn)確地做出診斷。攜帶 ZigBee 終端的患者不論走到哪里，都可以被 24 小時(shí)監(jiān)控體溫、脈搏等；而配有 ZigBee 終端的擔(dān)架，可以直接遙控電梯門(mén)的開(kāi)關(guān)。時(shí)間是生命，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以幫助醫(yī)生和患者爭(zhēng)取每一秒的生命。 Zigbee 技術(shù)的特點(diǎn)：ZigBee 工作在 20～250kbps 的較低速率，分別提供 250 kbps()、40kbp s(915 M Hz) 和 20 kbps(868 M Hz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。：在低耗電待機(jī)模式下，2 節(jié) 5 號(hào)干電池可支持 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi 可工作數(shù)小時(shí)。：ZigBee 的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要 3～10s、WiFi 需要 3s。：通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的 1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求 ,按預(yù)測(cè)分析，以 8051 的 8 位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要 32KB 代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費(fèi)。：傳輸范圍一般介于 10～100 m 之間，在增加 RF 發(fā)射功率后，亦可增加到 1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。：ZigBee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254 個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM) 頻段，2. 4 GHz(全球) 、915 M Hz(美國(guó) ) 和 868 M Hz(歐洲) 。：ZigBee 提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128) 的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 接口設(shè)計(jì)整體方案用戶有需求時(shí)，按已經(jīng)約定好的格式向接口模塊發(fā)送短信，接口模塊在收到用戶的短信之后，將短信的內(nèi)容進(jìn)行解析，然后發(fā)送到 CC2430 模塊，CC2430 模塊在收到接口模塊轉(zhuǎn)送的命令后，控制相應(yīng)的傳感器完成相應(yīng)的工作，然后將收集到的信息反饋給接口模塊，通過(guò)接口模塊發(fā)送給用戶。至此，一次通信過(guò)程完成，接口?？爝M(jìn)入等待用戶下一個(gè)命令的狀態(tài)。如圖 21 所示，tc35i 模塊與 Zigbee 協(xié)調(diào)器通過(guò) RS232 串口線相連，組成與CC2430 模塊通信的接口模塊。接口模塊與 CC2430 模塊以及用戶間的通信都是通過(guò)無(wú)線方式完成。當(dāng)用戶發(fā)送消息時(shí)，tc35i 模塊先將消息進(jìn)行接收后告知 Zigbee 協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過(guò) AT 指令控制 tc35i 模塊將短消息讀出，當(dāng)短信內(nèi)容送到 ZigBee 協(xié)調(diào)器后，ZigBee 協(xié)調(diào)器根據(jù)短信的內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作。具體為，根據(jù)短信內(nèi)容與某個(gè) CC2430 模塊進(jìn)行通信，該 CC2430 模塊根據(jù)所接收的信息內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作命令，控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉、使用傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境信息進(jìn)行采集等。圖 21 接口縮略圖 硬件設(shè)計(jì)包括 tc35i 模塊和 Zigbee 協(xié)調(diào)器以及 CC2430 無(wú)線開(kāi)發(fā)套件（開(kāi)發(fā)板、核心板和仿真器）以及鏈接所需的線材。核心板插于開(kāi)發(fā)板之上，開(kāi)發(fā)板為核心板提供外圍功能電路，在本設(shè)計(jì)中只是用到了開(kāi)發(fā)板的串口，仿真器是進(jìn)行在線仿真的。圖 22 所需實(shí)物圖 軟件設(shè)計(jì)tc35i 模塊部分的軟件設(shè)計(jì)以串口為基礎(chǔ)，通過(guò)編寫(xiě) C 語(yǔ)言程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制。Zigbee 協(xié)調(diào)器和 CC2430 模塊部分，通過(guò)使用無(wú)線龍公司提供的點(diǎn)對(duì)多無(wú)線通信協(xié)議棧 2022，完成協(xié)調(diào)器對(duì) CC2430 模塊的控制以及他們之間的通信。這部分的核心設(shè)計(jì)集中在對(duì) tc35i 模塊的短信分析與處理部分，通過(guò)串口中斷完成。具體設(shè)計(jì)將在后續(xù)章節(jié)中闡述。 CC2430 模塊 CC2430 芯片簡(jiǎn)介CC2430 模塊接口模塊tc35i模塊Zigbee協(xié)調(diào)器RS232CC2430 模塊CC2430 模塊CC2430 是 Chipcon 公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)[22] 。它支持 。在單個(gè)芯片上整合了 ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1 個(gè) 8 位 MCU（8051），最大可具有 128kbyte 可編程閃存和 8kbyte 的 SRAM，還包含 14 位模擬數(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（PowerOn Reset）、掉電檢測(cè)電路（Brown out detection），以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2430 的尺寸只有 77mm，采用具有內(nèi)嵌閃存的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這可實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶處理器， RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲(chǔ)器整合在同一個(gè)硅晶片上。工作時(shí)的電流損耗為 27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于 27 mA 或 25 mA。 CC2430 內(nèi)部結(jié)構(gòu)CC2430 最重要的是 MCU 和射頻部分，MCU 是其核心，該核心使用標(biāo)準(zhǔn)的 8051命令集，每個(gè)機(jī)器周期的一個(gè)時(shí)鐘周期等于標(biāo)準(zhǔn) 8051 機(jī)器周期的 12 個(gè)時(shí)鐘周期，因此 CC2430 的執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的 8051 快。除了速度比一般的 8051 機(jī)快之外，CC2430 的 8051 核心還擴(kuò)展了 18 個(gè)中斷源和雙數(shù)據(jù)指針。CC2430 有兩個(gè)串行通信接口 USART0 和 USART1，兩個(gè)串口既可以工作于UART(異步通信 )模式，也可工作于 SPI（同步通信）模式，模式的選擇由串口控制 /狀態(tài)寄存器的 決定。AES128 加密和解密模塊：AES 算法基于排列和置換加密算法，是一個(gè)迭代的、對(duì)稱密鑰分組的加密算法，用 128 為（16 字節(jié)）分組加密和解密數(shù)據(jù)。CPU 通過(guò)SFR（特殊功能寄存器）與 AES 處理器通信，使用 128 位密鑰，使用專用的 AES 處理器處理加密和解密過(guò)程。該過(guò)程主要分為設(shè)置加密模式、加載密鑰、加在初始化向量、為加密/解密下載或上傳數(shù)據(jù)。RF 接收機(jī)：CC2430 接收機(jī)采用零中頻技術(shù)，接收到的 RF 信號(hào)被低噪聲放大，直接下變頻為正交的中頻信號(hào)。在 2MHz 中頻處，正交信號(hào)被濾波和進(jìn)一步放大，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。自動(dòng)增益控制、信道濾波、調(diào)制和字節(jié)同步都在數(shù)字部分完成。CC2430 把接收到的數(shù)據(jù)緩存在一個(gè) 128B 的接收 FIFO 當(dāng)中。用戶通過(guò)一個(gè)SFR 接口讀取 FIFO。RF 發(fā)射機(jī)：CC2430 發(fā)射機(jī)基于直接上變頻。數(shù)據(jù)緩存在一個(gè) 128B 的傳輸 FIFO當(dāng)中。幀的前導(dǎo)碼和幀間隔控制符由硬件產(chǎn)生，每個(gè)符合（一個(gè)符合 4bit）通過(guò)IEEE 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的擴(kuò)頻序列被擴(kuò)頻為 32 個(gè)碼片，并傳送到 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。通過(guò)一個(gè)低通濾波器后，信號(hào)被送到上變頻混頻器混頻為 I/O 兩路信號(hào)，然后信號(hào)被功放放大，最后通過(guò)天線發(fā)射。I／O 端口： CC2430 有 21 個(gè)可編程的 I／O 端口，P0、Pl 口是完全的 8 位口，P2 口只有 5 個(gè)可使用的位。 每個(gè)端口可設(shè)置為通常的 I／O 口，也可設(shè)置為外圍I／ O 口使用 ； 除了 P1_0，P1_1 具有 20 mA 的驅(qū)動(dòng)能力。其余 19 個(gè) I/O 都具有 4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。一般的 I/O 端口作為輸入口時(shí)，可用于產(chǎn)生中斷，中斷通過(guò)外部信號(hào)的上升和下降沿來(lái)觸發(fā)。通過(guò)軟件設(shè)定一組 SFR 寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的 I／O 口或作為連接 ADC、計(jì)時(shí)器或 USART 部件的外圍設(shè)備 I／O 口使用。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。 存儲(chǔ)器仲裁：CC2430 存儲(chǔ)器分為四個(gè)不同存儲(chǔ)空間，分別為：（1）代碼（CODE）：用于程序存儲(chǔ),16 位只讀空間。（2）數(shù)據(jù)（DATA ）：直接或間接被單個(gè) CPU 指令訪問(wèn)，8 位可存取空間。（3）外部數(shù)據(jù)（XDATA）： 45 個(gè) CPU 指令周期訪問(wèn)，16 位可存取空間。（4）特殊功能寄存器（SFR）： 用于控制 8051CPU 核心和外部設(shè)備被單個(gè)的CPU 指令訪問(wèn)， 7 位可存取空間。SRAM： 8KB 的 SRAM 映射到 DATA 存儲(chǔ)器空間和 XDATA 存儲(chǔ)器空間的一部分。Flash：32/64/128kB Flash 映射到 CODE 存儲(chǔ)器空間和 XDATA 存儲(chǔ)器空間，F(xiàn)lash 控制器完成 Flash 的寫(xiě)操作。圖 31 為 CC2430 的結(jié)構(gòu)圖。SFR Bus SFR Bus32MHz 晶體高速RC_OSC晶體32KHz RC_OSC調(diào)試接口多路時(shí)鐘校準(zhǔn) DMA8051 CPU 內(nèi)核AES128 安全處理器USART 0USART 1計(jì)數(shù)器 1(16 位)計(jì)數(shù)器 2 (IEE MAC 計(jì)數(shù)器)計(jì)數(shù)器 3(8 位)計(jì)數(shù)器 4(8 位)看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)位掉電復(fù)位睡眠定時(shí)器睡眠模式控制器8KBSRAM32/64/128kBFlashIRQ 控制Flash 控制無(wú)線寄存器解調(diào)器調(diào)制器自動(dòng)增益控制先進(jìn)先出和幀控制輸入輸出控制器存儲(chǔ)器仲裁VDD（—） DCOUPL片上穩(wěn)壓器RAMFlashPDATAXRAMIRAMNUIFIEDSFRXOSC_Q1XOSC_Q2RESET_NP1_7P1_6P1_5P1_4P1_3P1_2P1_1P1_0P2_4P2