【文章內(nèi)容簡介】 個支持多種串行通信協(xié)議的串口 (USART)； 97 分貝的接收靈敏度和抗環(huán)境干擾能力，通過編程使得輸出功率高達(dá) RF 信號收發(fā)器； 5 個強(qiáng)大的 DMA 通道； 21個通用 I/O 引腳；看門狗定時器 [7]。 本設(shè)計主要用到的資源分別為： 8051 內(nèi)核；定時器；通信串口； I/O 口；和 RF 無線通信模塊，其基本介紹如下。 ? 增強(qiáng)型 8051 核心： CC2530 中的 MCU是一個單周期工作的 8051 兼容微 處理器。它使用 3 種不同功能的內(nèi)存用來訪問總線，分別為 SFR,DATA 和 CODE/XDATA。它的核心程序與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 內(nèi)核程序是相互兼容的，只需修改少量的特殊代碼 ，就可以將程序移植到 CC2530 上。 ? 定時器： CC2530 中共有 4 個定時器，編號分別是 Timer1（ 16 位）、 Timer2（ 16位）、 Timer3（ 8 位）、 Timer4（ 8位）。其中 Timer2為 MAC 定時器，其余為常用的定時器。 ? 通信串口： CC2530 內(nèi)部有 2個強(qiáng)大的 USART，可以設(shè)置成普通串口模式和 SPI模式，它們都有自己的波特率發(fā)生器，在使用時不占用定時器資源。 ? I/O 口： CC2530 共有 P0、 P P23 組共 21個引腳，通過相關(guān)的功能寄存器，實(shí)現(xiàn)串口、 DMA、外部中斷等等功能。 ? RF 無線：頻段在 的 一個 IEEE 兼容無線收發(fā)器 ；基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 接收靈敏度和抗干擾能力都很強(qiáng)，適合中距離傳輸； 通過軟件可調(diào)節(jié) 輸出功率達(dá)；內(nèi)部支持自動幀格式生成、同步插入數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)、 10 位 CRC 校驗(yàn)機(jī)制、電 檢測、 MAC 層的自動保護(hù) [8]。 CC2530 內(nèi)部硬件接口如圖 22所示 : 圖 22 CC2530內(nèi)部硬件接口 [9] 軟件客戶端的核心技術(shù) C是微軟公 司在 2021 年 7月發(fā) 布的一種全新且簡單、安全、面向 對象的程序設(shè)計語言，由微軟公司研究員 Anders Hejlsberg主導(dǎo)開發(fā) [10]。它吸收了 C++、 Visual Basic、Delphi、 Java 等語言的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了當(dāng)今最新的程序設(shè)計技術(shù)的功能和精華；同時，公共語言運(yùn)行時 (Common Language Runtime)為 C程序語言提供了一個托管的運(yùn)行基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 9 時環(huán)境，使程序比以往更加穩(wěn)定、安全 [17]。最重要的是， C使得 C++程序員可以高效的開發(fā)程序，而絕不損失 C/C++原有的強(qiáng)大的功能。因?yàn)檫@種繼承關(guān)系， C與C/C++具有極大的相似性，熟悉類似語言的開 發(fā)者可以很快的轉(zhuǎn)向 C。 C使程序員快速便捷地創(chuàng)建基于 Microsoft .NET 平臺的解決方案。這種框架使 C組件可以方便地轉(zhuǎn)化為 XM L網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而使任何平臺的應(yīng)用程序都可以通過 Inter調(diào)用它 [11]。C是隨著 .Net 一齊開發(fā)的，單從語言嚴(yán)謹(jǐn)、層次、規(guī)格等特點(diǎn)來說，它是編程 語言中最 優(yōu)秀語言 之一，它 引發(fā)出計算機(jī) 領(lǐng)域中 多種新 的 規(guī)范和特征 。 C是建立在 .Net庫上的，但是不是只能運(yùn)作在 .Net 庫上。與 JAVA 一樣，只要在當(dāng)前系統(tǒng)有一個 C編譯器，即使沒有 .Net 庫的支持也能支持運(yùn)行 C。 C不像其 他語言一樣發(fā)展趨于成熟，它新的編程細(xì)節(jié)仍然再不斷更新，在未來擁有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ涮攸c(diǎn)有： ? 語言簡潔 ? 保留了 C++的強(qiáng)大功能 ? 快速應(yīng)用開發(fā)功能 ? 語言的自由性 ? 強(qiáng)大的 Web 服務(wù)器控件 ? 支持跨平臺 ? 與 XML 相融合 基于上述優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計的軟件客戶端采用 C作為開發(fā)語言， .NET 作為開發(fā)平臺，使用 Visual Studio 2021 作為開發(fā)軟件。 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 10 3 無線路燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件電路設(shè)計 硬件電路以 CC2530 為核心，通過外圍電路達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的功能。在硬件電路部分，共分為 6 大部分， 分別是電源電路、核心板電路、光傳感器電路、路燈控制器電路、時鐘芯片電路和串口通信電路。硬件電路框如圖 31 所示 : 圖 31 系統(tǒng)電路整體設(shè)計 電源硬件電路設(shè)計 在整個設(shè)計中電源電路時最基本的電路，一個優(yōu)秀的電源電路是保證設(shè)計正常運(yùn)行最基本的條件。電源電路采用的是 5V1A 的直流電源輸入，經(jīng)過 AM1117 穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓，輸出電壓 ，供 CC25 DS130光傳感器使用，其中 LED2為網(wǎng)絡(luò)組建成功的指示燈， LED1 為 電源上電指示燈。如圖 32所示 : 圖 32 電源電路 外圍電路 CC2530 協(xié) 議 棧 光傳感器 時鐘 芯片 路燈 數(shù)據(jù)接收 控制信號 決策控制 直流電源 晶振 復(fù)位 JTAG 串口模塊 指示燈 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 11 CC2530 核心板電路設(shè)計 CC2530 只要外接少量的電阻、電容、電感等元器件，就可以進(jìn)行工作。核心板的電路圖如圖 33所示 : 圖 33 CC2530核心板電路 其中 P1_0 和 P1_1 分別作為控制路燈亮度的 2個 IO 口， P1_2 和 P1_3 作為連接光線傳感器的 2 個 IO 口，用來實(shí)現(xiàn)讀取當(dāng)前光強(qiáng)、設(shè)置傳感器 模式 等功能。 光強(qiáng)傳感器電路 光線傳感器是一種將環(huán)境光 照 度，轉(zhuǎn)化為數(shù) 字量的傳感器，常用的 光照度 為 勒 克斯 （ Lx）。 BH1750FVI 是基于 I2C 總線的光 照 度集成電路，其具有感光的范圍與人眼相近，功耗少，測量的角度大，外圍電路簡單等特點(diǎn)。其內(nèi)部工作原理是，流過光感二極管的電流隨著光 照度 增大而增大，芯片中的 ADC 將電壓值采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過總線發(fā)送出去，系統(tǒng)框 圖 如圖 34 所示 : 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 12 圖 34 BH1750FVI系統(tǒng)框圖 BH1750FVI 只需少量的外部單元，即可使用，在本設(shè)計中 P1_2 連接 SCL， P1_3連接 SCA，電路如圖 35 所示 : 圖 35 BH1750FVI電路圖 路燈控制電路 本設(shè)計采用繼電器作為控制路燈的開關(guān)，每個節(jié)點(diǎn)有 2個相同的控制電路，分別控制 2 組獨(dú)立的 LED 燈，從而達(dá)到控制路燈亮度的目的。 該期間、 0 控制電路如圖36所示 : 圖 36 路燈控制電路 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 13 當(dāng) P1_0 為低電平時， B17C 中的電流約為 11mA,光耦處于導(dǎo)通狀態(tài)。然后驅(qū)動控制電路中的 NPN 三極管，使 5V繼電器閉合，打開 LED 照明電路。本設(shè)計中，使用 P1_0 和 P1_1 作為控制的 IO 口。 DS1302 時鐘電路 DS1302 是由美 國 DALLAS 公司制造的低功耗時鐘芯片，因其接口簡單、價格低廉，被廣泛用于電子設(shè)計。本設(shè)計利用 DS1302 的實(shí)時時間功能，來控制整個系統(tǒng)的時序，以及路燈開關(guān)的時間 [12]。其電路如圖 37 所示 :， 圖 37 時鐘電路 UART 串口通信電路 本設(shè)計協(xié)調(diào)器通過 USB 串口與軟件客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。一般 PC 上的串口都是 5V的 TTL 電平信號，單片機(jī)不能直接連接。由于 USB 的接口方便以及兼容性好，本設(shè)計采用 CH340實(shí)現(xiàn) USB 轉(zhuǎn) 電平的轉(zhuǎn)換。 CH340電路如圖 38所示 : 圖 38 USB串口電路 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 14 使用串口通信，接口和結(jié)構(gòu)簡單，最少只需要 3個端口即可通信。通信的雙方不需要時鐘同步，發(fā)送方和接收方都有自己的移位脈沖，通過設(shè)置共同的波特率來實(shí)現(xiàn)同步。在本設(shè)計中，協(xié)調(diào)器使用 UART0 作為通信端口， P0_2 連接 CH340 的 RXD，P0_3連接 CH340 的 TXD，波特率設(shè)置為 115200。 硬件系統(tǒng)設(shè)計 本設(shè)計的核心是 CC2530 芯片，并根據(jù)功能的不同，劃分了協(xié)調(diào)器和終端 2種功能節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計中，本設(shè)計使用了 TI 公司的 ZStack 作為芯片的協(xié)議棧，并在協(xié)議棧上開發(fā)出所需要的功能代碼。在組網(wǎng)的過程中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收并解析客戶端串口的命令，將所解析的命令傳給終端，同時將所有終端的信息傳輸給客戶端。終端則會在協(xié)調(diào)器的控制下，將信息傳輸給協(xié)調(diào)器。在控制路燈功能方面，兩者都具有直接控制、時間控制和光強(qiáng)控制功能 [13]。 ZStack 及軟件環(huán)境 ZStack 是 TI公司為 CC2530 設(shè)計的一個協(xié)議棧代碼。它提供了 MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層和應(yīng)用層的框架設(shè)計。我們只需要調(diào)用協(xié)議棧中封裝好的 API 函數(shù)，和按要求添加、修改功能就可以實(shí)現(xiàn)所需要的功能。其工作流 程如圖 39 所示 : 圖 39 協(xié)議棧工作流程圖 本設(shè)計使用的是 版本的 ZStack，開發(fā)環(huán)境使用的是功能強(qiáng)大的 IAR開始 關(guān)總中斷 初始化硬件抽象 層 初始化寄存器 初始化 I/O 初始化非易失系統(tǒng) 初始化 MAC 確定擴(kuò)展地址 初始化非易失數(shù)據(jù) 初始化應(yīng)用框架 初始化操作系 統(tǒng) 打開中斷 硬件設(shè)備初始化 進(jìn)入主循環(huán)函數(shù) 運(yùn)行一個任務(wù) 執(zhí)行任務(wù)事件 是否有任務(wù) Y CPU 休眠 N 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 15 硬件設(shè)計軟件。用戶只要在協(xié)議棧的 APP 中加入所需要功能的 C 源文件，上層應(yīng)用接口只要調(diào)用用戶的功能函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。協(xié)議棧工程目錄如圖 310所示 : 圖 310 IAR工程文件目錄 網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的設(shè)計 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，有且只能有一個協(xié)調(diào)器，它是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，所以協(xié)調(diào)器的功能設(shè)置尤其重要。 協(xié)調(diào)器完成的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)主要有：（ 1）初始化操作系統(tǒng)，啟動片內(nèi)硬件資源。（ 2）建立拓?fù)渚W(wǎng)路。（ 3）搜索周圍節(jié)點(diǎn)，并分配周圍節(jié)點(diǎn)的地址。（ 3）收集周圍節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)，簡單處理后發(fā)送給客戶端。（ 4）接收客戶端發(fā)來的命令，并解析命令，做出相應(yīng)控制 [14]。 主要的控制任務(wù)有：（ 1）檢測路燈的亮度。（ 2）讀取環(huán)境光強(qiáng)數(shù)值。（ 3）讀取時鐘芯片數(shù)據(jù)，獲得實(shí)時時間。（ 4）根據(jù)所選功能與實(shí)際數(shù)據(jù)，對路燈的亮度進(jìn)行控制。 由于現(xiàn)實(shí)中路燈的控制頻率 并不高，實(shí)時性控制需求較弱，由此，本設(shè)計引入了“心跳”機(jī)制去實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的任務(wù)時序。“心跳”機(jī)制就是每隔一段相同的時間，執(zhí)行一次所需要執(zhí)行的任務(wù)，這樣會避免頻繁的開關(guān)燈操作，減少網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的擁堵和減少傳感器數(shù)據(jù)的誤差。在協(xié)調(diào)器中，利用定時器 3 設(shè)置定時功能為 1 秒 的定時中斷，中斷函數(shù)讀取當(dāng)前時鐘芯片的分鐘值，每當(dāng)分鐘值跳變一次，則將信標(biāo)通過無線發(fā)送給其他終端節(jié)點(diǎn)，同時執(zhí)行一次所要執(zhí)行的任務(wù)。終端收到信標(biāo)后，同樣的執(zhí)行任務(wù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的運(yùn)行任務(wù)流程圖如圖 311所示 : 基于 ZigBee 技術(shù)的無線路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 16 Y 是否 1 分鐘跳變 N Y 1 秒定時中斷 N Y 是否有節(jié)點(diǎn) 加入 N Y 是否收到終端數(shù)據(jù) N Y 是否有客戶端數(shù)據(jù) N 圖 311 協(xié)