【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì) 32 個(gè)信號(hào)層， 16 個(gè)電源 地層和 16 個(gè)機(jī)加工層。 10 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基站模塊設(shè)計(jì) 基站最大的特點(diǎn)在于 它能與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，不需要有線的連接，這種體系結(jié)構(gòu)具有很好的擴(kuò)展性，可以方便地根據(jù)實(shí)際情況增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，具有很強(qiáng)的靈活性。 基站模塊還帶有 RS232串行接口，能與上位機(jī)之間進(jìn)行串行通信 ，將 接收到的數(shù)據(jù)送給上位機(jī)軟件進(jìn)行處理、顯示等操作。 CC2430 無(wú)線 單片機(jī) CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足以 ZigBee 為基礎(chǔ)的 ISM 波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能 DSSS(直接序列擴(kuò)頻 )射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架構(gòu)，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），具有 128 KB 可編程閃存和 8 KB 的 RAM，還包含模擬數(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 (Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路 (Brown out detec tion)，以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 CC2430 芯片采用 μm CMOS 工藝生產(chǎn)；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(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。 TSZigBeeCC2430 無(wú)線模塊 CC2430 是無(wú)線 SOC設(shè)計(jì)，其內(nèi)部集成了一個(gè)高性能 DSSS 射頻射頻收發(fā)器核心和一個(gè)增強(qiáng)型 8051 控制器核心以及大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào) 的收發(fā)功能。 本課題使用旭昂公司推出一個(gè)符合 ZigBee 的 SOC 的單體芯片 CC2430 和協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)方案 TSZigBeeCC2430 無(wú)線模塊 ，如圖 所示 。 11 圖 TSZigBeeCC2430無(wú)線模塊 TSZigBeeCC2430 無(wú)線模塊是加強(qiáng)型的 ZigBee 模塊，集成了符合 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組星型和 MESH 型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 CC2430 無(wú)線模 塊的電路如圖 所示。 圖 CC2430無(wú)線模塊的電路圖 12 通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的 ZigBee 協(xié)議， TSZigBee CC2430 模塊 可以直接與上位機(jī)之間通過(guò)串口通信。 串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線 Universal Serial Bus 或者 USB 混淆）。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于 RS232 的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多 GPIB兼容的設(shè)備也帶有 RS232口。 串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（ bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（ byte）的并行 通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總長(zhǎng)不得超過(guò) 20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò) 2 米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá) 1200 米。 典型地，串口用于 ASCII 碼字符的傳輸。通信使用 3 根線完成：（ 1）地線，（ 2）發(fā)送，（ 3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。 CC2430單片機(jī)的 和 口用作串行通信的收發(fā)端口， 由于單片機(jī)引腳信號(hào)為 3V TTL 電平信號(hào)，需要通過(guò) MAX3232 芯片轉(zhuǎn)換成 RS232 信號(hào)與 PC 串口相連。 單片機(jī)的 串行接口電路 如圖 。 圖 MAX3232串行通信接口電路 13 MAX3232 芯片含有兩路發(fā)送器和接收器， T1IN、 T2IN、 R1OUT、 R2OUT 為接 TTL電平的引腳， T1OUT、 T2OUT、 R1IN、 R2IN 為接 RS232C 電平的引腳。圖中給出了其中的一路串行通信接口電路。 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)用 MSP430 超低功耗單片機(jī)作為 MCU，采用紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)入侵，環(huán)境檢測(cè)傳感器檢測(cè)室溫、煙霧和煤氣等可燃?xì)怏w，并通過(guò) ZigBee 組建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)端基站。 MSP430 單片機(jī)系統(tǒng) MSP430 系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器 (TI)1996 年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種 16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器 (Mixed Signal Processor)。稱(chēng)之為混合信號(hào)處理器 ，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供 “ 單片 ” 解決方案。 超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處 。 首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 ~ 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí) ， 芯片的電流會(huì)在 200~400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系 統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán) （ FLL 和 FLL+） 時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器 （ 32768Hz） , 有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。 由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式 （ AM） 和五種低功耗模式 （ LPM0~LPM4） 。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 。 MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門(mén)狗（ WDT） 、模擬比較器 A 、定時(shí)器 A（ Timer_A） 、定時(shí)器 B（ Timer_B） 、串口 0 、 1（ USART0 、 1） 、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC 、 16 位 SigmaDelta AD、直接尋址模塊（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本 定時(shí)器 14 （ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門(mén)狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ；16 位定時(shí)器 （ Timer_A 和 Timer_B） 具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí) 現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 IIC 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增 加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類(lèi)型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后在燒寫(xiě)或掩膜芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn) 行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。 MSP430 單片機(jī)目前主要以 FLASH 型為主。本課題所選用的 單片機(jī)是MSP430F149 單片機(jī)。 MSP430F1xx MCU 系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為 V，實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流的消耗僅為 μA ，而運(yùn)行模式電流低至 300 μA (1 MHz) ，從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過(guò)程僅需 6 μs 。 MSP430 單片機(jī) 系統(tǒng)外界 8MHz 和 兩個(gè)晶振， 單片機(jī)系統(tǒng)如圖 所示。 15 圖 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)電路圖 單片機(jī)的 、 端口設(shè)置成 串口 0（ USART0）的收發(fā)口 與 CC2430 單片機(jī)的 和 口相連，他們之間實(shí)現(xiàn)串口通信，如圖 所示。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給 CC2430， CC2430 就可以無(wú)線發(fā)送出去， CC2430 接收到無(wú)線數(shù)據(jù)也透明傳送給單片機(jī)。 M C U M o d u l e T x D R x DC C 2 4 3 0R x D T x D 圖 MSP430與 CC2430的連接 紅外 線對(duì)射模塊設(shè)計(jì) 紅外線對(duì)射傳感器節(jié)點(diǎn)有紅外線發(fā)射模塊和紅外線接收模塊兩部分，都是采用電池供電，紅外線接收模塊部分具有 MCU 和射頻。 紅外收發(fā)模塊以紅外線發(fā)光二極 16 管作為信號(hào)源 ,以光敏三極管作為紅外接收裝置 ,組成對(duì)射式收發(fā)系統(tǒng)。為了增加紅外線監(jiān)測(cè)區(qū)，紅外線采用 38KHz 脈沖調(diào)制方式發(fā)射，由于紅外線收發(fā)裝置的有效作用距離有限 ,所以必須最大限度地減小光源能量的損失 ,使發(fā)光二極管的光源能量盡量被光敏三極管接收 ,為此采用集成芯片組成的紅外接收電路對(duì)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行接收、放大、整形 ,再送至單片機(jī)。正常情況下 ,紅外接收管不間斷 地接收來(lái)自紅外發(fā)射管的紅外光，接收管輸出低電平給單片機(jī)。當(dāng)有人通過(guò)紅外線發(fā)射管及紅外線接收管所構(gòu)成的警戒線時(shí) , 接收管接收不到紅外光將輸出高電平給單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷向基站發(fā)出報(bào)警信號(hào)。紅外線對(duì)射傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 所示，紅外線發(fā)射和接收模塊原理圖見(jiàn)附錄。 M S P 4 3 0M C UZigBee3 8 K H z載 波振 蕩器 紅外線發(fā)射紅 外線 接收 處理 圖 紅外線對(duì)射傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 室內(nèi)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 室內(nèi)檢測(cè)傳感器包括溫度傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等，可以檢測(cè)各類(lèi)影響人們生活的環(huán)境，確保人居環(huán)境的安全。室內(nèi)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖 。 M S P 4 3 0M C U溫 度 傳 感 器D S 1 8 B 2 0煤 氣 傳 感 器M Q 5煙 霧 傳 感 器M Q A 2 1 4ZigBee 圖 室內(nèi)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 是 Dallas 生產(chǎn)的 Onewire 數(shù)字化溫度傳感器。由于其使用方便，因此在家用 電器及其他溫度報(bào)警器中得到廣泛的應(yīng)用。 DS18B20 內(nèi)有一個(gè) 64位的 ROM，存儲(chǔ)器 件獨(dú)有的 ID號(hào)碼。它內(nèi)部還有一個(gè) 9字節(jié)的高速緩沖存儲(chǔ)器。 圖 DS18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖，它包括一個(gè)暫存 RAM 和一個(gè)非易失性電可擦除 RAM。 17 圖 DS18B20內(nèi)部存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部暫存存儲(chǔ)器的第 5個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器，它主要用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。字節(jié)結(jié)構(gòu)如下： 通過(guò)對(duì) R R2的設(shè)置可以調(diào)整溫度分辨率，具體如下： 表 DS18B20分辨率設(shè)置表 本次設(shè)計(jì)用 12位精度分辨率。 DS18B20 講測(cè)得的溫度放入頭兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)格式如下： 溫度值的低字節(jié)： 溫度值的高字節(jié)： 其中： S代表符號(hào)位 ， S=1，溫度位負(fù)值； S=0，溫度為正值。最低位為 1 時(shí)表示的溫度值為 ℃。 DS18B20 與單片機(jī)的借口極為簡(jiǎn)單，只需要將 DS18B20 的信號(hào)線與單片機(jī)的一雙向口相連即可。本次設(shè)計(jì)溫度傳感器模塊的原理圖如圖 所示。圖中傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送端與單片機(jī)的 相連。 18 圖 DS18B20傳感器電路 煤氣傳感器 MQ5 氣體傳感器 MQ5適用于家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣，天然氣，煤氣的監(jiān)測(cè)裝置。優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力。 MQ5氣敏元件由微型 AL2O3陶瓷管、 S