【文章內(nèi)容簡介】 在經(jīng)過無線射頻部分將信息傳送出去給協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)測。 設(shè)備終端模塊 終端硬件設(shè)計 射頻收發(fā)芯片CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051)，具有32／64／128 kB可編成閃存和8 kB的RAM，還包含模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器、AES128安全協(xié)處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路。CC2430還有21個可編程的I/O口引腳，PO、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設(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、計時器或USART部件的外圍設(shè)備I／O口使用。其I／O口引腳功能如下：1～6腳(P1．2～P1．7)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力；8，9腳(P1．0，P1．1)：具有20 mA的驅(qū)動能力；11～18腳(P0．O～P0．7)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力；43～46，48腳(P2．0～P2．4)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力。 CC2430外部接口電路圖可使天線性能路使用一個非平衡天線,連接非平衡變更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L34L32L331以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32 MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1個32 MHz的石英諧振器（XTAL1）和2個電容（C191和C211）構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路。 kHz的石英諧振器（XTAL2）和2個電容（C441和C431） kHz的晶振電路。 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，C241和C421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。 CC2430內(nèi)部功能圖CC2430芯片采用0．18 pm CMOS工藝生產(chǎn)，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的休眠模式和轉(zhuǎn)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(yīng)用。 其特點主要有以下幾個方面： l 一個加強(qiáng)型的工業(yè)級的8051微處理器，具有極低的功耗，更快的運(yùn)行速度。 l 內(nèi)部集成了一個直接序列擴(kuò)頻的射頻收發(fā)器(DSSS)。 l 支持載波偵聽多點接入（沖突檢測）(CSMACA)。由于無線產(chǎn)品適配器不易檢測信道 中是否存在沖突，通過沖突檢測后，一方面可以查看介質(zhì)是否空閑，一方面可以 避免信號的沖撞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 l 功耗低。在接收的模式下，其損耗低于27mA；在發(fā)射模式下，其電流損耗低于25mA；在掉電模式下，；掛起方式下。 l 片上資源豐富。CC2430內(nèi)部集成了電池監(jiān)視器、看門狗定時器、溫度傳感器、2個串行收發(fā)模塊（USART）等等。 溫度采集芯片 DS18B20 介紹DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。,并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線,總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電,而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單,、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn),給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。DS18B20的特點:l 獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時,僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；l 在使用中不需要任何外圍元件；l 可用數(shù)據(jù)線供電電壓范圍+～+；l 測溫范圍:55～+125℃,℃；l 通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式；l 用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值；l 支持多點組網(wǎng)功能：多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上,實現(xiàn)多點測溫。l 負(fù)壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20引腳圖DS18B20 有三只引腳，VCC，DQ，和VDD。 DS18B20外部連接而HJ2G 板子上，采用了外部供電的鏈接方式，而總線必須鏈接上拉電阻。這一目的告訴我們，一線總線在空置狀態(tài)時，都是一直處于高電平。 DS18B20內(nèi)部寄存器DS18B20 的內(nèi)部有64 位的ROM 單元，和9 字節(jié)的暫存器單元。64 位ROM 包含了DS18B20 唯一的序列號（唯一的名字）。 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位PC機(jī)相連接，并和終端節(jié)點無線傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器是實現(xiàn)組星型網(wǎng)的關(guān)鍵。協(xié)調(diào)器節(jié)點由電源模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、串口模塊、LED指示燈、處理器 CC2430模塊、天線模塊7部分組成。CC2430的工作電壓為 3～ V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把電壓從5 V降低到 V左右；用戶通過按鍵來選擇功能菜單，確定采集哪個監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)。處理器處理采集的數(shù)據(jù)后，通過串口模塊傳給上位機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步處理。 協(xié)調(diào)器節(jié)點應(yīng)用電路圖 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器CC2430模塊、天線模塊、電源模塊、電源管理模塊、功率放大模塊、LED指示燈部分組成。LED指示燈由 P1_0口控制，LED用來顯示現(xiàn)在節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。電源模塊主要給處理器和電源管理模塊供電。當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時由P0_0口選通電源管理模塊，電源管理模塊就可以給傳感器模塊和功率放大器模塊供電了。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，傳感器采集的數(shù)據(jù)信號放大后給處理器進(jìn)行下一步處理。處理器模塊先把采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)由天線發(fā)出。 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu) 上位機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件電路設(shè)計（1）JTAG程序調(diào)試接口CC2430提供了一個JTAG程序調(diào)試接口，用于用戶連接仿真器調(diào)試程序和仿真使用。 JTAG電路原理圖（2）RS232接口RS232接口是一種常用于同PC機(jī)通信的接口，我們可以編寫簡單的串行程序使CC2430通過串口與PC機(jī)完成通信。其電路原理如下 RS232電路原理圖 系統(tǒng)電源設(shè)計由于USB接口提供的是5V電源，，其原理圖如下： 系統(tǒng)電源原理圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端程序組成，均包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對單片機(jī)、射頻芯片、SPI等進(jìn)行處理；發(fā)射程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過單片機(jī)SPI接口送至射頻發(fā)生模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行處理。 數(shù)據(jù)采集段軟件流程 數(shù)據(jù)接收端軟件流程 系統(tǒng)軟件流程 第四章 地鐵站溫度檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) 總體方案設(shè)計該系統(tǒng)采用樹狀無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，若干個路由器節(jié)點及若干個RFD節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個地鐵站的不同位置中，負(fù)責(zé)采集溫度值，然后定期或有中斷時，把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過顯示器就可以對地鐵站溫度進(jìn)行監(jiān)視，無須到地鐵站溫度測量現(xiàn)場。RFD節(jié)點有CC24溫度傳感器和天線組成。節(jié)點通過溫度傳感器DS18B20檢測所處環(huán)境的溫度，然后通過天線發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用DS18B20，特別適合于廉價，小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換而來，℃。為了減少對其他設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和影響，在保證設(shè)備能夠正常地工作的條件下，每個設(shè)備的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小。通常，ZigBee的發(fā)射功率在0～+10 dBm，通信距離范圍為100m，可擴(kuò)大到約300 m，其發(fā)射功率利用設(shè)置的相應(yīng)服務(wù)原語進(jìn)行控制。本設(shè)計中RFD節(jié)點的最小發(fā)射功率為3 dBm。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器端，為保證設(shè)備能正常接收到RFD節(jié)點發(fā)射的信號，其有用信號不能太大，否則，將造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信號的最大輸入電平就是有用信號的最大功率值，本設(shè)計接收機(jī)的最大輸入電平值為20 dBm。本系統(tǒng)軟件包括傳感器節(jié)點程序，匯聚節(jié)點程序和計算機(jī)程序三部分。其中，計算機(jī)程序是上位機(jī)程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和在 SQL server2000數(shù)據(jù)庫中的存儲、調(diào)用。傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點程序是前端ZigBee網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)程序，這兩部分程序相互配合，共同完成了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和對網(wǎng)絡(luò)的管理，是軟件編制的重點。傳感器節(jié)點程序主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。根據(jù)安放的位置，它還可以成為一個路由節(jié)點，實現(xiàn)消息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。匯聚節(jié)點是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡(luò)的控制中心。它的程序一方面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，包括定義通信信道、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符 (PANID)，配置網(wǎng)絡(luò)的profile，響應(yīng)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求和綁定請求，為其他節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址、維護(hù)路由表等；另一方面還接收各傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行匯合整理后傳給計算機(jī)。 樹簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 下位機(jī)軟件程序的開發(fā)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中高效的傳輸是前端ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)的最終目的。本節(jié)將以傳感器采集上來的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸為主線，介紹數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等程序模塊的開發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點都有一個固定的地址。連接于監(jiān)控主機(jī)的傳感器節(jié)點是一個特殊的節(jié)點，它采用串行接口與監(jiān)控主機(jī)通信。數(shù)據(jù)的傳送采用主從站方式,與監(jiān)控主機(jī)連接的節(jié)點作為主站，控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時序；其他節(jié)點作為從站,可以被主站尋址。主節(jié)點主要完成采集各從節(jié)點數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理；從節(jié)點主要完成各種傳感器原始數(shù)據(jù)的采集工作。溫度信息的采集一般分為兩種情況，一種是自動采集，一種是手動采集。自動采集是靠終端的定時器來完成的，將定時器設(shè)定一個初值后，便啟動定時器，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時值時便觸發(fā)中斷，開始測量溫度值，測量完成后通過射頻部分將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，之后終端進(jìn)入低功耗模式，定時器重裝，繼續(xù)計時，循而往復(fù)，實現(xiàn)自動采集；手動采集則是由協(xié)調(diào)器發(fā)出查詢指