【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6 分別具有 32/64/128/256KB 的閃存。 CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。 [5] CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元 ZigBee 協(xié)議棧 （ ZStack?），提供 了一個(gè)強(qiáng)大和完整的 ZigBee 解決方案。 [6] CC2530RF 射頻板的設(shè)計(jì) CC2530RF 射頻板的設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖 32所示。 圖 32 CC2530RF射頻板的設(shè)計(jì) 7 傳感器節(jié)點(diǎn)電池板設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)電池板的設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖 33所示。模塊中使用的是 ，將 3個(gè) 5號(hào)電池的總電壓 降壓到 CC2530 的工作電壓 。 一、 協(xié)調(diào)器電路圖： 圖 33 傳感器節(jié)點(diǎn)電池板設(shè)計(jì)原理圖 8 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì) 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板的設(shè)計(jì) 協(xié)調(diào)器的系統(tǒng)板 如圖 34 所示，由圖中知道，系統(tǒng)板上集成了電源模塊 ,LCD12864(ST7565P)的插槽，串口芯片 max3232，按鍵以及 CC2530 的插槽。 圖 34協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板板設(shè)計(jì)原理圖 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板的電源模塊設(shè)計(jì) 電源原理圖如圖 34中 POWER 部分，使用 PC 的 USB 口供電，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)控制通斷電，使用 LM1117 芯片將電壓穩(wěn)壓到 ，電容 C8 和 C9 濾波，除去一些諧波，使得電壓更穩(wěn)定。 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板的顯示模塊設(shè)計(jì) 顯示模塊如圖 34中 CC2530 + 12864 部分，圖中 可以看出液晶屏有 7個(gè)口是有輸入的，其它腳懸空。 LCD12864 上面使用了 ST7565P 芯片， ST7565P 是可直接連接到微處理器總線的單芯片的點(diǎn)陣 LCD 驅(qū)動(dòng)器，從處理器發(fā)送八位并行或串行顯示數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)RAM 和該芯片產(chǎn)生的 LCD 驅(qū)動(dòng)信號(hào)獨(dú)立的處理器，每個(gè)數(shù)據(jù)位的內(nèi)部顯示數(shù)據(jù) RAM（ 65 9 132）是一對(duì)一的對(duì)應(yīng)滅個(gè)像數(shù)點(diǎn)（ 65 132）在 LCD 面板上，因此， ST7565P 使顯示器顯示內(nèi)容更加容易。 12864 液晶屏的顯示模塊不僅可以顯示數(shù)字和字母，還能顯示漢字，比只能顯示數(shù)字和字母的數(shù)碼管的作用 來(lái)得更加直觀。并且液晶顯示屏它擁有接口方式靈活多樣，使用方便，顯示功能強(qiáng)大，體積小而輕便，低電壓低功耗，所以本設(shè)計(jì)選用液晶顯示屏作為時(shí)間與溫度的顯示。 LCD12864 的基本特性如下： （ 1）低電源電壓（ VDD:+～ +） （ 2）顯示分辨率 :12864 點(diǎn) （ 3）帶中文字庫(kù)，提供簡(jiǎn)繁體可選的 1616 點(diǎn)陣漢字 8192 個(gè) （ 4）內(nèi)置 128 個(gè) 168 點(diǎn)陣字符 （ 5） 2MHZ 時(shí)鐘頻率 （ 6）顯示方式：正顯、半透、 STN （ 7）驅(qū)動(dòng)方式： 1/5BIAS， 1/32DUTY （ 8）視角方向： 6點(diǎn) （ 9）通訊 方式：串行和并口可供選擇 （ 10）不需要外加負(fù)壓，因?yàn)橛袃?nèi)置 DCDC轉(zhuǎn)換電路 （ 11）不需要片選信號(hào)，即可進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化 （ 12）背光方式：側(cè)部高亮白色 LED，僅為普通 LED 的 1/5～ 1/10 的功耗。 （ 13）存儲(chǔ)溫度區(qū)間 20℃ ～ +60℃ ，工作溫度區(qū)間 0℃ ～ +55℃ 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板的串口模塊設(shè)計(jì) 串口模塊的設(shè)計(jì)如圖 34 所示的 UART 所示。串口芯片使用的是 MAX3232，此芯片跟常用的 MAX232 唯一不同的就是它能使用 的電壓。 MA3X232工作正電平在 +3～ +12V之間，負(fù)電平在 3～ 12V之間。因?yàn)榘l(fā)送電平與接收電平的差僅僅為 2V至 3V，導(dǎo)致它的共模抑制能力較差，再加其它的因素影響，如線上的電容分布情況，使得它的傳送距離最大為約 15米，最高速率為 20kb/s。 RS232是專為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 3～ 7KΩ。因此 RS232適合本地設(shè)備之間的通信，如果距離遠(yuǎn)了傳輸速度就會(huì)慢很多，甚至數(shù)據(jù)之間會(huì)發(fā)生混亂以至影響數(shù)據(jù)傳輸。 串口通過(guò) RX端口獲取溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò) TX端口把溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)上顯示溫濕度的要求，這是本設(shè) 計(jì)的重要部分。 10 圖 3— 4串口 MAX3232電路圖 11 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中各個(gè)功能的完美實(shí)現(xiàn)主要依靠硬件和軟件的良好結(jié)合，如果說(shuō)硬件是系統(tǒng)的基本，那么軟件就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的靈魂，兩者缺一不可，相輔相成。本設(shè)計(jì)的硬件部分由多個(gè)模塊組成，主控模塊銜接各個(gè)模塊工作，各個(gè)模塊既要跟主控模塊相聯(lián)系又和其它子模塊聯(lián)系；軟件設(shè)計(jì)部分也由多個(gè)子程序組成，主程序控制和協(xié)調(diào)各個(gè)模塊執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，主程序控制子程序的運(yùn)行，子程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊具體的性質(zhì)功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的整體效果，整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心部分是 ZigBee協(xié)議棧 。 ZigBee 協(xié)議棧介紹及開(kāi)發(fā)流程 美國(guó) TI 公司開(kāi)發(fā)的 ZStack 是 ZigBee 協(xié)議棧，是經(jīng)過(guò) ZigBee 聯(lián)盟的認(rèn)可，為全球眾多開(kāi)發(fā)商所廣泛采用。 而對(duì)于本系統(tǒng)而言，只需弄懂 ZStack 即可，沒(méi)有必要完全弄懂 ZigBee 協(xié)議棧所有源代碼。 所謂的發(fā)展和應(yīng)用，主要是在主函數(shù)修改應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，許多 開(kāi)發(fā)者需要的 的功能可以根據(jù)項(xiàng)目要求修改。 ZStack 是采用操作系統(tǒng)思想來(lái)構(gòu)建的協(xié)議棧，采用事件輪詢機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將被喚醒，進(jìn)入中斷處理事件，事 件結(jié)束后又進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有多個(gè)事件發(fā)生，判斷事件的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低逐次處理各個(gè)事件。該軟件構(gòu)架可以極大的降低系統(tǒng)的功耗。 [5] ZStack 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)及工 作流程 整個(gè) ZStack 采用分層結(jié)構(gòu)，如圖 41所示。 APP：應(yīng)用層目錄，這是用戶創(chuàng)建不同工程的區(qū)域，在這個(gè)目錄中包含了這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容，在協(xié)議里面一般是以操作系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)。 HAL：硬件抽象層，提供各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)。 MAC： MAC 層目錄，包含 MAC 層的參數(shù)配置及 MAC的 LIB 庫(kù)函數(shù)接口文件。 MT：實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口控制各 層，與各層進(jìn)行交互。 NWK：網(wǎng)絡(luò)層目錄，包含網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置文件以及網(wǎng)絡(luò)層庫(kù)的函數(shù)文件， APS 層庫(kù)函數(shù)接口文件。 OSAL：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)與任務(wù)調(diào)度層。 Profile： AF 層目錄，包含 AF 層的處理函數(shù)文件。 Security：安全層目錄，安全層的處理函數(shù)，如加密函數(shù)等。 Services：地址處理函數(shù)目錄，包含了地址模式的定義及地址處理函數(shù)文件。 Tools：工程配置目錄，包含空間劃分及 ZStack 相關(guān)配置信息。 ZDO： ZDO 目錄。 ZMac： MAC 層目錄，包括了 MAC 層參數(shù)配置及 MAC層 LIB 庫(kù)函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。 ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件等。 12 Output：輸出文件目錄， IAR EW8051 IDE 自動(dòng)生成。 [7] 圖 41 ZStack 工程目錄 13 整個(gè) ZStack 的主要工作流程分為：系統(tǒng)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)初始化、 OSAL 初始化和啟動(dòng)、進(jìn)入循環(huán)。如圖 42 所示。 圖 42 ZStack 程序流程圖 ZStack 開(kāi)發(fā)流程 從官網(wǎng)下載的協(xié)議棧本已經(jīng)放在了庫(kù)文件中，是通過(guò)文件 main 函數(shù)存在 Zmain 函數(shù)中，程序的運(yùn)行都是從 main 函數(shù)開(kāi)始的， main 函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能有：初始化硬件、初始化網(wǎng)絡(luò)、初始化任務(wù)列表、進(jìn)入任務(wù)處理循環(huán)。 [8] 順利完成上述初始化以后，開(kāi)始運(yùn)行 OSAL 系統(tǒng)。 OSAL 是 ZStack 協(xié)議棧的核心，ZStack 協(xié)議棧的所有子系統(tǒng)都作 為 OSAL 的一個(gè)任務(wù)，因此開(kāi)發(fā)應(yīng)用層的時(shí)候，通過(guò)創(chuàng)建 OSAL 任務(wù)來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序。創(chuàng)建 OSAL 任務(wù)的時(shí)候分為兩步：一是進(jìn)行任務(wù)初始化，二是處理任務(wù)事件。 [9] 應(yīng)用層的程序編寫(xiě)是根據(jù)系統(tǒng)需要不同的功能來(lái)寫(xiě)的，本系統(tǒng)只需要采集溫濕度，使用的傳感器是 DHT11，所以應(yīng)用層包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信程序、 DHT11 溫濕度傳感器程序、OSAL 系統(tǒng)函數(shù)。 [10] 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信程序編寫(xiě) 其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信程序包括數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收以及通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上。 [11]流程圖如圖 42所示。 OSAL 任務(wù) 輪循主循環(huán) 事件發(fā)生 調(diào)用事件處理 程序 中斷優(yōu)先級(jí) 事件結(jié)束 ？ 分配 64 位 長(zhǎng)地址 讀取 NV ITEMS 開(kāi)中斷 設(shè)置 TIMER 在 LCD 上顯示 初始化 MAC 層 初始化 NV FALSH 初始化 OSAL N Y Y N 初始化 Stack RAM 初始化 HAL 層驅(qū)動(dòng) 開(kāi)始 關(guān)中斷 14 圖 43 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信流程圖 DHT11 溫濕度傳感器程序編寫(xiě) 這個(gè)部分就是最普通的 51 單片機(jī)的溫濕度傳感器的編寫(xiě)，相對(duì)較為容易。 流程圖如圖 44所示。 否 是 圖 44 DHT11溫濕度傳感器流程圖 開(kāi)始 端口初始化 DHT11 啟動(dòng) 讀取成功？ 數(shù)據(jù)寫(xiě)入 初始化 開(kāi)始 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù)串口傳輸?shù)?PC 15 第五章系統(tǒng)的測(cè)試和總結(jié) 測(cè)試內(nèi)容 本系統(tǒng)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用 的是星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由 1 個(gè)協(xié)調(diào)器跟 4 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。先測(cè)試硬件：電源模塊，傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器。再測(cè)試傳感器節(jié)點(diǎn)跟協(xié)調(diào)器的通信情況，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫濕度是否精確，協(xié)調(diào)器跟 PC機(jī)的串口通信是否正常。 各個(gè)模塊功能測(cè)試 協(xié)調(diào)器電源模塊的測(cè)試 把所有元器件都焊接在電路板以后，耐心檢查是否有短路，虛焊等小問(wèn)題。檢查整塊電路板無(wú)問(wèn)題后，檢測(cè)系統(tǒng)電源是否正常，本系統(tǒng)電源是將電池 電壓降壓到，再通過(guò)濾波即可。通電，居然電源指示燈不亮?？焖訇P(guān)閉電源，查看原因，原來(lái)是 USB接口輸出的 +5V 跟 GND接反，修改電路后再試，用萬(wàn)用表電壓檔測(cè)試，正常。 協(xié)調(diào)器 LCD12864 顯示模塊的測(cè)試 在把程序燒錄進(jìn)去以后，發(fā)現(xiàn) LCD12864 是白屏，按下復(fù)位鍵后黑屏，放開(kāi)還是白屏。細(xì)心檢測(cè) CC2530 的 I/O 口接到 LCD 的每一條線，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)短路跟短路現(xiàn)象，說(shuō)明硬件沒(méi)有問(wèn)題。接下來(lái)查看軟件，慢慢閱讀每一句程序，發(fā)現(xiàn)原來(lái)是 文件沒(méi)有替換，替換之后，重新下載程序到 CC2530,LCD12864 顯示正常。 傳感器節(jié)點(diǎn)電源測(cè)試 傳感器節(jié)點(diǎn)包含有 CC2530RF 射頻模塊、電源模塊、傳感器模塊。由于 傳感器節(jié)點(diǎn)沒(méi)有顯示模塊，并不能知道 CC2530 是否采集到了傳感器的數(shù)據(jù)，所以傳感器模塊在測(cè)試完電源模塊后就算完工了。還好，這部分一切順利，電源沒(méi)有問(wèn)題。 傳感器節(jié)點(diǎn)跟協(xié)調(diào)器通信測(cè)試 這一部分的測(cè)試是本系統(tǒng)的核心部分，測(cè)試內(nèi)容包括通信距離和溫濕度的精度。由于四個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)模板做出來(lái)的，性能指數(shù)應(yīng)該一致，故測(cè)試通信距離的時(shí)候只需要測(cè)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)跟協(xié)調(diào)器的通信距離，當(dāng)然最關(guān)鍵的是二者之間是否能正常通信。 [12]測(cè)試時(shí)，把協(xié)調(diào)器跟傳感器節(jié)點(diǎn)都接通電源，但是協(xié)調(diào)器遲遲未收到信息。多次復(fù)位以后終于收 到信息，但是收到的溫濕度顯示都是 0。此傳感器原來(lái)用 at89s52 單片機(jī)使用過(guò)，能采集到溫濕度數(shù)據(jù)。但是移植到 CC2530 上面就沒(méi)有數(shù)據(jù)了，這個(gè)問(wèn)題一時(shí)真的不知道怎么解決。最 后求助了一個(gè)已經(jīng)畢業(yè)的師兄，最后他指出了問(wèn)題所在。是因?yàn)?CC2530 的晶振是 32M，而原來(lái)用的 at89s52 使用的是 12M 晶振，二者不同步，而對(duì)于相同時(shí)序的程序，當(dāng)然不能讀取出傳感器的數(shù)據(jù)。修改好程序以后，最終讀取數(shù)據(jù)成功。接下來(lái)測(cè)試溫濕度的精度。數(shù)據(jù)如表 51所示 16 表 51 2021年 3月 1日所測(cè)的實(shí)際溫濕度數(shù)據(jù) 溫濕度數(shù)據(jù) 時(shí)間 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 傳感器節(jié)點(diǎn) 1 12℃ 39% 14℃ 38% 17℃ 38% 18℃ 38% 15℃ 38% 傳感器節(jié)點(diǎn) 2 11℃ 40% 14℃ 39% 17℃ 37% 19℃ 37% 15℃ 37% 傳感器節(jié)點(diǎn) 3 11℃ 39% 13℃ 37% 16℃ 38% 1