【文章內(nèi)容簡介】 6 分別具有 32/64/128/256KB 的閃存。 CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進一步確保了低能源消耗。 [5] CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領先的黃金單元 ZigBee 協(xié)議棧 （ ZStack?），提供 了一個強大和完整的 ZigBee 解決方案。 [6] CC2530RF 射頻板的設計 CC2530RF 射頻板的設計原理圖見圖 32所示。 圖 32 CC2530RF射頻板的設計 7 傳感器節(jié)點電池板設計 傳感器節(jié)點電池板的設計原理圖見圖 33所示。模塊中使用的是 ，將 3個 5號電池的總電壓 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)點電池板設計原理圖 8 協(xié)調(diào)器設計 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板的設計 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)板板設計原理圖 協(xié)調(diào)器系統(tǒng)板的電源模塊設計 電源原理圖如圖 34中 POWER 部分，使用 PC 的 USB 口供電，經(jīng)過開關控制通斷電，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)板的顯示模塊設計 顯示模塊如圖 34中 CC2530 + 12864 部分，圖中 可以看出液晶屏有 7個口是有輸入的，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陣 LCD 驅(qū)動器，從處理器發(fā)送八位并行或串行顯示數(shù)據(jù)被存儲到內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)RAM 和該芯片產(chǎn)生的 LCD 驅(qū)動信號獨立的處理器，每個數(shù)據(jù)位的內(nèi)部顯示數(shù)據(jù) RAM（ 65 9 132）是一對一的對應滅個像數(shù)點（ 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，顯示功能強大，體積小而輕便，低電壓低功耗，所以本設計選用液晶顯示屏作為時間與溫度的顯示。 LCD12864 的基本特性如下： （ 1）低電源電壓（ VDD:+～ +） （ 2）顯示分辨率 :12864 點 （ 3）帶中文字庫，提供簡繁體可選的 1616 點陣漢字 8192 個 （ 4）內(nèi)置 128 個 168 點陣字符 （ 5） 2MHZ 時鐘頻率 （ 6）顯示方式：正顯、半透、 STN （ 7）驅(qū)動方式： 1/5BIAS， 1/32DUTY （ 8）視角方向： 6點 （ 9）通訊 方式：串行和并口可供選擇 （ 10）不需要外加負壓，因為有內(nèi)置 DCDC轉(zhuǎn)換電路 （ 11）不需要片選信號，即可進行軟件設計的簡化 （ 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)板的串口模塊設計 串口模塊的設計如圖 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，負電平在 3～ 12V之間。因為發(fā)送電平與接收電平的差僅僅為 2V至 3V，導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是專為點對點通訊而設計的，其驅(qū)動器負載為 3～ 7KΩ。因此 RS232適合本地設備之間的通信，如果距離遠了傳輸速度就會慢很多，甚至數(shù)據(jù)之間會發(fā)生混亂以至影響數(shù)據(jù)傳輸。 串口通過 RX端口獲取溫濕度數(shù)據(jù)，通過 TX端口把溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，以實現(xiàn)單片機與上位機的遠程通信，同時實現(xiàn)在上位機上顯示溫濕度的要求，這是本設 計的重要部分。 10 圖 3— 4串口 MAX3232電路圖 11 第四章系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)中各個功能的完美實現(xiàn)主要依靠硬件和軟件的良好結(jié)合，如果說硬件是系統(tǒng)的基本，那么軟件就是驅(qū)動系統(tǒng)運行的靈魂，兩者缺一不可，相輔相成。本設計的硬件部分由多個模塊組成，主控模塊銜接各個模塊工作，各個模塊既要跟主控模塊相聯(lián)系又和其它子模塊聯(lián)系；軟件設計部分也由多個子程序組成，主程序控制和協(xié)調(diào)各個模塊執(zhí)行相應的任務，主程序控制子程序的運行，子程序?qū)崿F(xiàn)各個模塊具體的性質(zhì)功能，從而實現(xiàn)設計的整體效果，整個系統(tǒng)軟件的核心部分是 ZigBee協(xié)議棧 。 ZigBee 協(xié)議棧介紹及開發(fā)流程 美國 TI 公司開發(fā)的 ZStack 是 ZigBee 協(xié)議棧，是經(jīng)過 ZigBee 聯(lián)盟的認可，為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用。 而對于本系統(tǒng)而言，只需弄懂 ZStack 即可，沒有必要完全弄懂 ZigBee 協(xié)議棧所有源代碼。 所謂的發(fā)展和應用，主要是在主函數(shù)修改應用程序和操作系統(tǒng)，許多 開發(fā)者需要的 的功能可以根據(jù)項目要求修改。 ZStack 是采用操作系統(tǒng)思想來構(gòu)建的協(xié)議棧，采用事件輪詢機制，當系統(tǒng)各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當有事件發(fā)生時，系統(tǒng)將被喚醒，進入中斷處理事件，事 件結(jié)束后又進入低功耗模式。如果同時有多個事件發(fā)生，判斷事件的優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級的高低逐次處理各個事件。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 ZStack 采用分層結(jié)構(gòu)，如圖 41所示。 APP：應用層目錄，這是用戶創(chuàng)建不同工程的區(qū)域，在這個目錄中包含了這個項目的主要內(nèi)容，在協(xié)議里面一般是以操作系統(tǒng)的任務實現(xiàn)。 HAL：硬件抽象層，提供各個模塊的驅(qū)動。 MAC： MAC 層目錄，包含 MAC 層的參數(shù)配置及 MAC的 LIB 庫函數(shù)接口文件。 MT：實現(xiàn)通過串口控制各 層，與各層進行交互。 NWK：網(wǎng)絡層目錄，包含網(wǎng)絡參數(shù)配置文件以及網(wǎng)絡層庫的函數(shù)文件， APS 層庫函數(shù)接口文件。 OSAL：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)與任務調(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 自動生成。 [7] 圖 41 ZStack 工程目錄 13 整個 ZStack 的主要工作流程分為：系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化、 OSAL 初始化和啟動、進入循環(huán)。如圖 42 所示。 圖 42 ZStack 程序流程圖 ZStack 開發(fā)流程 從官網(wǎng)下載的協(xié)議棧本已經(jīng)放在了庫文件中，是通過文件 main 函數(shù)存在 Zmain 函數(shù)中，程序的運行都是從 main 函數(shù)開始的， main 函數(shù)實現(xiàn)的功能有：初始化硬件、初始化網(wǎng)絡、初始化任務列表、進入任務處理循環(huán)。 [8] 順利完成上述初始化以后，開始運行 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 的一個任務，因此開發(fā)應用層的時候，通過創(chuàng)建 OSAL 任務來運行應用程序。創(chuàng)建 OSAL 任務的時候分為兩步：一是進行任務初始化，二是處理任務事件。 [9] 應用層的程序編寫是根據(jù)系統(tǒng)需要不同的功能來寫的，本系統(tǒng)只需要采集溫濕度，使用的傳感器是 DHT11，所以應用層包括點對點通信程序、 DHT11 溫濕度傳感器程序、OSAL 系統(tǒng)函數(shù)。 [10] 點對點通信程序編寫 其中點對點通信程序包括數(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 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 事件結(jié)束 ？ 分配 64 位 長地址 讀取 NV ITEMS 開中斷 設置 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 開始 關中斷 14 圖 43 點對點通信流程圖 DHT11 溫濕度傳感器程序編寫 這個部分就是最普通的 51 單片機的溫濕度傳感器的編寫，相對較為容易。 流程圖如圖 44所示。 否 是 圖 44 DHT11溫濕度傳感器流程圖 開始 端口初始化 DHT11 啟動 讀取成功？ 數(shù)據(jù)寫入 初始化 開始 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)的測試和總結(jié) 測試內(nèi)容 本系統(tǒng)為無線傳感器網(wǎng)絡，采用 的是星型網(wǎng)絡，網(wǎng)絡由 1 個協(xié)調(diào)器跟 4 個傳感器節(jié)點構(gòu)成。先測試硬件：電源模塊，傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器。再測試傳感器節(jié)點跟協(xié)調(diào)器的通信情況，傳感器節(jié)點采集的溫濕度是否精確，協(xié)調(diào)器跟 PC機的串口通信是否正常。 各個模塊功能測試 協(xié)調(diào)器電源模塊的測試 把所有元器件都焊接在電路板以后，耐心檢查是否有短路，虛焊等小問題。檢查整塊電路板無問題后，檢測系統(tǒng)電源是否正常，本系統(tǒng)電源是將電池 電壓降壓到，再通過濾波即可。通電，居然電源指示燈不亮?？焖訇P閉電源，查看原因，原來是 USB接口輸出的 +5V 跟 GND接反，修改電路后再試，用萬用表電壓檔測試，正常。 協(xié)調(diào)器 LCD12864 顯示模塊的測試 在把程序燒錄進去以后，發(fā)現(xiàn) LCD12864 是白屏，按下復位鍵后黑屏，放開還是白屏。細心檢測 CC2530 的 I/O 口接到 LCD 的每一條線，沒有發(fā)現(xiàn)短路跟短路現(xiàn)象，說明硬件沒有問題。接下來查看軟件，慢慢閱讀每一句程序，發(fā)現(xiàn)原來是 文件沒有替換，替換之后，重新下載程序到 CC2530,LCD12864 顯示正常。 傳感器節(jié)點電源測試 傳感器節(jié)點包含有 CC2530RF 射頻模塊、電源模塊、傳感器模塊。由于 傳感器節(jié)點沒有顯示模塊，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試完電源模塊后就算完工了。還好，這部分一切順利，電源沒有問題。 傳感器節(jié)點跟協(xié)調(diào)器通信測試 這一部分的測試是本系統(tǒng)的核心部分，測試內(nèi)容包括通信距離和溫濕度的精度。由于四個傳感器節(jié)點都是一個模板做出來的，性能指數(shù)應該一致，故測試通信距離的時候只需要測一個傳感器節(jié)點跟協(xié)調(diào)器的通信距離，當然最關鍵的是二者之間是否能正常通信。 [12]測試時，把協(xié)調(diào)器跟傳感器節(jié)點都接通電源，但是協(xié)調(diào)器遲遲未收到信息。多次復位以后終于收 到信息，但是收到的溫濕度顯示都是 0。此傳感器原來用 at89s52 單片機使用過，能采集到溫濕度數(shù)據(jù)。但是移植到 CC2530 上面就沒有數(shù)據(jù)了，這個問題一時真的不知道怎么解決。最 后求助了一個已經(jīng)畢業(yè)的師兄，最后他指出了問題所在。是因為 CC2530 的晶振是 32M，而原來用的 at89s52 使用的是 12M 晶振，二者不同步，而對于相同時序的程序，當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。接下來測試溫濕度的精度。數(shù)據(jù)如表 51所示 16 表 51 2021年 3月 1日所測的實際溫濕度數(shù)據(jù) 溫濕度數(shù)據(jù) 時間 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 傳感器節(jié)點 1 12℃ 39% 14℃ 38% 17℃ 38% 18℃ 38% 15℃ 38% 傳感器節(jié)點 2 11℃ 40% 14℃ 39% 17℃ 37% 19℃ 37% 15℃ 37% 傳感器節(jié)點 3 11℃ 39% 13℃ 37% 16℃ 38% 1