【文章內容簡介】 采集水、電、燃氣的用量。總之，只要一個ZigBee 遙控器，就可以控制所有的家電設備。 工業(yè)控制通過 ZigBee 網(wǎng)絡自動收集廠區(qū)各種設備信息，并將信息送達中央控制系統(tǒng)進行數(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 ZigBee 網(wǎng)絡實現(xiàn)廠房內不同區(qū)域溫濕度的監(jiān)控、照明系統(tǒng)感測；及時得到機器運轉狀況信息進行生產線流程控制等；結合 RFID 標簽，可以及時統(tǒng)計庫零件配件存量等，這些都可以由ZigBee 網(wǎng)絡提供相關信息，達到工業(yè)控制和環(huán)境檢測的目的。當然，目前工廠內已有大量的有線控制系統(tǒng)，單“以 ZigBee 為基礎的系統(tǒng)可以對控制系統(tǒng)和自動化的成本削減 50%，單單取消管道、線纜和人工的使用這一項就能削弱高達 80%的成本”，這些是不容忽視的。 交通運輸沿著街道、高速公路和其他地方布置大量 ZigBee 節(jié)點設備，人們就不會再擔心迷路。安裝在汽車里的導航顯示器會告訴你當前所處的位置，正向何處去。全球定位系統(tǒng)（GPS ）也能提供類似的服務，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 覆蓋不能到的樓內或隧道內，仍能繼續(xù)使用 ZigBee 系統(tǒng)。從 ZigBee 無線網(wǎng)絡能夠得到比 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，及時地趕上下一班車，而不至于在寒風中或在烈日下在車站登上十分鐘。 醫(yī)院應用在醫(yī)院，ZigBee 網(wǎng)絡可以幫助醫(yī)生及時，準確地收集急診病人的信息和檢查結果，快速準確地做出診斷。攜帶 ZigBee 終端的患者不論走到哪里，都可以被 24 小時監(jiān)控體溫、脈搏等；而配有 ZigBee 終端的擔架，可以直接遙控電梯門的開關。時間是生命，ZigBee 網(wǎng)絡可以幫助醫(yī)生和患者爭取每一秒的生命。 Zigbee 技術的特點：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)的應用需求。：在低耗電待機模式下，2 節(jié) 5 號干電池可支持 1 個節(jié)點工作 6～24個月，甚至更長。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi 可工作數(shù)小時。：ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需 30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要 3～10s、WiFi 需要 3s。：通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的 1/10)，降低了對通信控制器的要求 ,按預測分析，以 8051 的 8 位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要 32KB 代碼，子功能節(jié)點少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費。：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)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。：ZigBee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理 254 個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成 65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM) 頻段，2. 4 GHz(全球) 、915 M Hz(美國 ) 和 868 M Hz(歐洲) 。：ZigBee 提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES128) 的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 接口設計整體方案用戶有需求時，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，將短信的內容進行解析，然后發(fā)送到 CC2430 模塊，CC2430 模塊在收到接口模塊轉送的命令后，控制相應的傳感器完成相應的工作，然后將收集到的信息反饋給接口模塊，通過接口模塊發(fā)送給用戶。至此，一次通信過程完成，接口?？爝M入等待用戶下一個命令的狀態(tài)。如圖 21 所示，tc35i 模塊與 Zigbee 協(xié)調器通過 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無線方式完成。當用戶發(fā)送消息時，tc35i 模塊先將消息進行接收后告知 Zigbee 協(xié)調器，協(xié)調器再通過 AT 指令控制 tc35i 模塊將短消息讀出，當短信內容送到 ZigBee 協(xié)調器后，ZigBee 協(xié)調器根據(jù)短信的內容執(zhí)行相應的操作。具體為，根據(jù)短信內容與某個 CC2430 模塊進行通信，該 CC2430 模塊根據(jù)所接收的信息內容執(zhí)行相應的操作命令，控制開關的開啟和關閉、使用傳感器對周圍環(huán)境信息進行采集等。圖 21 接口縮略圖 硬件設計包括 tc35i 模塊和 Zigbee 協(xié)調器以及 CC2430 無線開發(fā)套件（開發(fā)板、核心板和仿真器）以及鏈接所需的線材。核心板插于開發(fā)板之上，開發(fā)板為核心板提供外圍功能電路，在本設計中只是用到了開發(fā)板的串口，仿真器是進行在線仿真的。圖 22 所需實物圖 軟件設計tc35i 模塊部分的軟件設計以串口為基礎，通過編寫 C 語言程序對其進行控制。Zigbee 協(xié)調器和 CC2430 模塊部分，通過使用無線龍公司提供的點對多無線通信協(xié)議棧 2022，完成協(xié)調器對 CC2430 模塊的控制以及他們之間的通信。這部分的核心設計集中在對 tc35i 模塊的短信分析與處理部分，通過串口中斷完成。具體設計將在后續(xù)章節(jié)中闡述。 CC2430 模塊 CC2430 芯片簡介CC2430 模塊接口模塊tc35i模塊Zigbee協(xié)調器RS232CC2430 模塊CC2430 模塊CC2430 是 Chipcon 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應用的片上系統(tǒng)[22] 。它支持 。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），最大可具有 128kbyte 可編程閃存和 8kbyte 的 SRAM，還包含 14 位模擬數(shù)字轉換器（ADC）、幾個定時器（Timer ）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（PowerOn Reset）、掉電檢測電路（Brown out detection），以及 21 個可編程 I/O 引腳。 CC2430 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2430 的尺寸只有 77mm，采用具有內嵌閃存的 CMOS 標準技術。這可實現(xiàn)數(shù)字基帶處理器， RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器整合在同一個硅晶片上。工作時的電流損耗為 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 內部結構CC2430 最重要的是 MCU 和射頻部分，MCU 是其核心，該核心使用標準的 8051命令集，每個機器周期的一個時鐘周期等于標準 8051 機器周期的 12 個時鐘周期，因此 CC2430 的執(zhí)行速度比標準的 8051 快。除了速度比一般的 8051 機快之外，CC2430 的 8051 核心還擴展了 18 個中斷源和雙數(shù)據(jù)指針。CC2430 有兩個串行通信接口 USART0 和 USART1，兩個串口既可以工作于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，是一個迭代的、對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程。該過程主要分為設置加密模式、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：CC2430 接收機采用零中頻技術，接收到的 RF 信號被低噪聲放大，直接下變頻為正交的中頻信號。在 2MHz 中頻處，正交信號被濾波和進一步放大，通過 A/D 轉換為數(shù)字信號。自動增益控制、信道濾波、調制和字節(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 128B 的接收 FIFO 當中。用戶通過一個SFR 接口讀取 FIFO。RF 發(fā)射機：CC2430 發(fā)射機基于直接上變頻。數(shù)據(jù)緩存在一個 128B 的傳輸 FIFO當中。幀的前導碼和幀間隔控制符由硬件產生，每個符合（一個符合 4bit）通過IEEE 標準所規(guī)定的擴頻序列被擴頻為 32 個碼片，并傳送到 D/A 轉換器轉換為模擬信號。通過一個低通濾波器后，信號被送到上變頻混頻器混頻為 I/O 兩路信號，然后信號被功放放大，最后通過天線發(fā)射。I／O 端口： CC2430 有 21 個可編程的 I／O 端口，P0、Pl 口是完全的 8 位口，P2 口只有 5 個可使用的位。 每個端口可設置為通常的 I／O 口，也可設置為外圍I／ O 口使用 ； 除了 P1_0，P1_1 具有 20 mA 的驅動能力。其余 19 個 I/O 都具有 4 mA輸出驅動能力。一般的 I/O 端口作為輸入口時，可用于產生中斷，中斷通過外部信號的上升和下降沿來觸發(fā)。通過軟件設定一組 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、計時器或 USART 部件的外圍設備 I／O 口使用。如果需要外部設備，可對 I／ O 口引腳產生中斷，同時外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。 存儲器仲裁：CC2430 存儲器分為四個不同存儲空間，分別為：（1）代碼（CODE）：用于程序存儲,16 位只讀空間。（2）數(shù)據(jù)（DATA ）：直接或間接被單個 CPU 指令訪問，8 位可存取空間。（3）外部數(shù)據(jù)（XDATA）： 45 個 CPU 指令周期訪問，16 位可存取空間。（4）特殊功能寄存器（SFR）： 用于控制 8051CPU 核心和外部設備被單個的CPU 指令訪問， 7 位可存取空間。SRAM： 8KB 的 SRAM 映射到 DATA 存儲器空間和 XDATA 存儲器空間的一部分。Flash：32/64/128kB Flash 映射到 CODE 存儲器空間和 XDATA 存儲器空間，F(xiàn)lash 控制器完成 Flash 的寫操作。圖 31 為 CC2430 的結構圖。SFR Bus SFR Bus32MHz 晶體高速RC_OSC晶體32KHz RC_OSC調試接口多路時鐘校準 DMA8051 CPU 內核AES128 安全處理器USART 0USART 1計數(shù)器 1(16 位)計數(shù)器 2 (IEE MAC 計數(shù)器)計數(shù)器 3(8 位)計數(shù)器 4(8 位)看門狗定時器復位掉電復位睡眠定時器睡眠模式控制器8KBSRAM32/64/128kBFlashIRQ 控制Flash 控制無線寄存器解調器調制器自動增益控制先進先出和幀控制輸入輸出控制器存儲器仲裁VDD（—） DCOUPL片上穩(wěn)壓器RAMFlashPDATAXRAMIRAMNUIFIEDSFRXOSC_Q1XOSC_Q2RESET_NP1_7P1_6P1_5P1_4P1_3P1_2P1_1P1_0P2_4P2