【文章內(nèi)容簡介】 成本低：因?yàn)?ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，且 ZigBee 協(xié)議免收專利費(fèi)，所以大大降低了成本。 優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Γ?ZigBee 設(shè)備具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力， ZigBee 具有星、樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，因此通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎唵蔚馗采w廣闊范圍。 有效范圍大：有效覆蓋范圍為 10~75m（通過功放可以在低功耗條件實(shí)現(xiàn)1000m 以上的通信距離），具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通家庭或辦公室事環(huán)境。 工作頻段靈活：使用的頻段為 （全球）、 868MHz（歐洲）及 915MHz（美國），均為免護(hù)照頻段。 表 ZigBee 與其他技術(shù)的比較 IrDA 藍(lán)牙 WiFi ZigBee 工作頻率 紅外線 有效物理范圍 20cm－ 10m 左右 25－ 100m 10m－ 100m 最大傳輸速率 16Mbps 1Mbps 11Mbps 250kbps, 20/40kbps 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 2 7 32 65000 最大功耗 數(shù) mw 100mw 100mw 30mw 主要用途 直線短距離遙控 個人網(wǎng)絡(luò) 無線局域網(wǎng) 家庭網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò) 表 、功耗、傳輸速率、連接設(shè)備數(shù)上的差別和性能比較。不難看出，無論是紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、無 線局域網(wǎng)技術(shù)還是 ZigBee技術(shù)，它們都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，能夠適用于不同的應(yīng)用場合。 從 表 ZigBee的應(yīng)用范圍是低速率遠(yuǎn)距離的。這造就了 ZigBee低功耗信息傳輸?shù)膬?yōu)勢。兩節(jié)普通的 5號干電池可以使用 6個月到 2年的時間，免去充電和更換電池的麻煩。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 7 ZigBee節(jié)點(diǎn)所屬類別主要分 3種，分別是協(xié)調(diào)器（ Coodinator）、路由器（ Router）、終端（ End Device）。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中至少需要一個協(xié)調(diào)器，也只能有 1個協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)各個節(jié)點(diǎn) 16位地址分配（自動分配）。理 論上可以連接 65536個節(jié)點(diǎn)。組網(wǎng)方式千變?nèi)f化，如圖 21所示。 圖 21 ZigBee組網(wǎng)形式 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 ZigBee 技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進(jìn)行定位。 ZigBee 的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，這里就不一一列舉了。隨著技術(shù)日益成熟以及價格的下降， ZigBee 在大多領(lǐng)域取代原始的無線 是毋庸置疑的。舉個最 簡單的例子，終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的最大通訊距離為 200 米，我們在 200 米的地方加入 1個點(diǎn)作為路由器，那么終端就可以通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)，也就是說通訊距離可達(dá) 400米。而且新節(jié)點(diǎn)加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)極為方便。我們姑且可以先把 ZigBee 當(dāng)成普通的無線模塊應(yīng)用。 [2] SZ05LSTD 無線數(shù)傳模塊 概述 順舟科技 SZ05L系列 ZigBee無線串口通信模塊，采用了加強(qiáng)型的 ZigBee無線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，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)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組 MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 SZ05 系列無線通信模塊數(shù)據(jù)接口包括： TTL 電平收發(fā)接口、標(biāo)準(zhǔn)串口 RS232青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 8 數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送、按照目標(biāo)地址發(fā)送模式，除可實(shí)現(xiàn)一般的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通信功能外，還可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊，串口通信使用方法簡單便利，可以大大簡短模塊的嵌入匹配時間進(jìn)程。 本課題中使用順舟科技生產(chǎn)的 SZ05LSTD ZigBee 無線數(shù)傳模塊 [3]， 此模塊的性能特點(diǎn)如下： 產(chǎn)品主要功能： 有線 TTL、 IO與無線 ZigBee的相互轉(zhuǎn)換，通過無線 ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信。 無線功能強(qiáng)大： 具備中 繼路由和終端設(shè)備功能 無線功能強(qiáng)大： 具備中繼路由和終端設(shè)備功能 通信距離較遠(yuǎn)： 最大視距傳輸距離 800米 抗干擾能力強(qiáng)： 串口應(yīng)用靈活： 透明方式或指令格式傳輸，最高波特率 115200 發(fā)送模式靈活： 廣播發(fā)送或目標(biāo)地址發(fā)送模式可選 節(jié)點(diǎn)類型靈活： 中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)可任意設(shè)置 組網(wǎng)能力較強(qiáng)： 星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、鏈型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)容量較大： 16信道可選， 65535個網(wǎng)絡(luò) ID可任意設(shè)置 SZ05系列無線通信模塊分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，這三類設(shè) 備具備不同的網(wǎng)絡(luò)功能，中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)這三種類型的設(shè)備在硬件結(jié)構(gòu)上完全一致，只是設(shè)備嵌入軟件不同，只需通過跳線設(shè)置或軟件配置即可實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)備功能。 本設(shè)計中使用的 終端節(jié)點(diǎn) 為 SZ05LSTD無線數(shù)傳模塊。 模塊外觀如圖 22所示。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 9 圖 22 Z05LSTD Zigbee 無線數(shù)傳模塊 SZ05LSTD 實(shí)物圖 SZ05LSTD 無線數(shù)傳模塊 技術(shù)參數(shù) 本課題中使用的 SZ05LSTD 無線數(shù)傳模塊 可以通過軟件的形式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這一特點(diǎn)使得組網(wǎng)更加簡單易行。可以通過軟件設(shè)置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如 星型、鏈型、樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)（ MESH）等；網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的 ID 地址；通信波特率等。具體的設(shè)置方式請參考 順舟科技公司編寫的 SZ05 系列 ZigBee 嵌入式無線數(shù)傳模塊用戶手冊進(jìn)行設(shè)置， 不再一一敘述。這里列出 SZ05LSTD 無線數(shù)傳模塊 具體技術(shù)參數(shù)，如表 所示。 表 Z05LSTD Zigbee 無線數(shù)傳模塊 技術(shù)參數(shù) 無線頻率 24002485M ISM 免費(fèi)頻段 無線速率 固定 250K 串口速率 波特率 1200115200 可設(shè)置 調(diào)制方式 DSSS 直序擴(kuò)頻 信道模式 16 信道（間隔 5M），可指定或自動選擇最佳信道 信道檢測 CSMA/CA 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 星型、鏈型、樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)（ MESH） 網(wǎng)絡(luò) ID 65535 個可指定 節(jié)點(diǎn)類型 中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)可設(shè)置 發(fā)送模式 透明傳輸或指令格式 定位信息 RSSI IO 應(yīng)用 12 個 IO 口可擴(kuò)展 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 10 輸入電壓 DC ~5V 休眠電流 20uA( 供電 ) 發(fā)射功率 SZ05L STD： 3dbm SZ05LPRO： 18dbm 接收靈敏度 SZ05L STD： 92dbm SZ05LPRO： 92dbm 接口類型 TTL、 IO 設(shè)備天線 內(nèi)置 PCB 陶瓷天線 工作溫度 40℃ ~+75℃ 工作濕度 10%~90%不結(jié)露 模塊尺寸 SZ05LSTD： 27mm X 17mm（長 X 寬） SZ05LPRO： 29mm X 17mm（長 X 寬） AVR 單片機(jī) 概述 ATMEL 公司是世界上著名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù) 字模擬 IC 芯片的半導(dǎo)體制造公司。在微控制器方面， ATMEL 公司有基于 8051內(nèi)核、 AVR 內(nèi)核和 ARM 內(nèi)核的三大系列單片機(jī)產(chǎn)品（確切地講，最后一款應(yīng)稱為嵌入式微處理器）。 ATMEL 公司在其單片機(jī)產(chǎn)品中融入了先進(jìn)的 EEPROM 電可擦除和 Flash ROM 存儲器技術(shù)，使其單片機(jī)產(chǎn)品具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢。 ATMEL 公司的 AVR 是 8 位單片機(jī)中第一個真正采用 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī) 。它采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進(jìn)技術(shù)，使得 AVR 單片機(jī)具有高達(dá) 1MIPS/MHz 的高速運(yùn)行處理能力。 為了滿足市場和產(chǎn)品的不同需求， ATMEL 公司對 AVR 單片機(jī)進(jìn)行過兩次的調(diào)整和改進(jìn)，在對內(nèi)部資源進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展或刪減的基礎(chǔ)上，形成了以 tinyAVR、megaAVR 和 XMEGA3 大系列為主的 10 個品種、近百種型號的產(chǎn)品，以滿足和適應(yīng)各種層次的應(yīng)用。 [4] 3 個大系列所有型號的 AVR 單片機(jī)都采用相同的 AVR CPU 內(nèi)核架構(gòu)，指令系統(tǒng)兼容，只是在內(nèi)部資源的配備、存儲器容量大小以及片內(nèi)集成功能接口部件的數(shù)量和性能上有所不同。不同型號的 AVR 單片機(jī)封裝形式也不一樣，引腳數(shù)最少的只有 6 腳 ，最多的達(dá)到 100 腳，價格也從幾元到幾十元不等，可以滿足不同場合、不同應(yīng)用的需求，用戶可以根據(jù)需要選擇。表 給出了 3 大系列基本資源配置。 表 AVR 單片機(jī) 3 大系列基本資源配置表 8 位 AVR CPU（ RISC 架構(gòu)） 存儲器配備 系列 封裝 Flash SRAM EEPROM 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 TinyAVR 6～ 32 腳 512 字節(jié)～ 8KB 32～ 512 字節(jié) 0～ 512 字節(jié) megaAVR 28～ 100 腳 4～ 256KB 512 字節(jié)～ 16KB 512 字節(jié)～ 4 KB XMEGA 44～ 100 腳 16～ 384KB 8～ 32KB 2～ 4 KB 從表 中可以看出， megaAVR 系列單片機(jī)剛屬于中檔產(chǎn)品，其性能不僅優(yōu)越，同時也有非常好的性價比 。例如，引腳數(shù)最少（ 28 腳）的 ATmega8，在市場上的價格大約 10 元人民幣，卻具備了 1KB 的 SRAM、 8KB 的 Flash、 512 字節(jié)的EEPROM， 2 個 8 位和 1 個 16 位共 3 個超強(qiáng)功能的定時 /計數(shù)器等多種功能的接口和特性。在 AVR 系列單片機(jī)中， ATmega16 是一款中檔功能的 AVR 芯片，它的引腳數(shù)為 40（ 44TQFP），在片內(nèi)集成了 1KB 的 SRAM、 16KB 的 Flash、 512 字節(jié)的EEPROM， 2 個 8 位、 1 個 16 位共 3 個超強(qiáng)功能的定時 /計數(shù)器，以及 USART、 SPI、多路 10 位 ADC、 WDT、 RTC、 ISP、 IAP、 TWI(I2C)、片內(nèi)高精度 RC 振蕩器等多種功能的接口和特性。本課題中使用的即為 ATmega16（工業(yè)級）單片機(jī)。 ATmega16 的特點(diǎn) ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8位 CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度 之間的矛盾。其主要特點(diǎn)如下： 1) 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) ? 131條機(jī)器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期 ? 32個 8位通用工作寄存器 ? 工作于 16 MHz 時性能高達(dá) 16MIPS ? 配備只需 2個時鐘周期的硬件乘法器 2) 片內(nèi)含有較大容量、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器 ? 16KB在線可編程（ ISP） Flash程序存儲器（擦寫壽命 : 大于 10000 次）采用Boot load技術(shù)支持 IAP功能 ? 1KB的片內(nèi) SRAM數(shù)據(jù)存儲器，可實(shí)現(xiàn) 3級鎖定的程序加密 ? 512字節(jié)片內(nèi)在線可編程 EEPROM數(shù)據(jù)存儲器 （ 擦寫壽命 : 大于 10000 次） 3) 片內(nèi)含 JTAG 接口 ( 與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ) ? 支持符合 JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能用于芯片檢測； ? 支持?jǐn)U展的片內(nèi)在線調(diào)試功能； ? 可通過 JTAG口對片內(nèi)的 Flash、 EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密實(shí)現(xiàn)下載編程 4) 外圍接口 ? 2個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器 ? 1個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 ? 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計數(shù)器 RTC ? 4通道 PWM ? 8路 10位 ADC ? 面向字節(jié)的兩線接口 TWI（兼容 I2C硬件接口） ? 1個可編程、增強(qiáng)型全雙工， 支持同步 /異步通信的串行接口 USART ? 1個可工作于主機(jī) / 從機(jī)模式的 SPI 串行接口（支持 ISP程序下載） ? 片內(nèi)模擬比較器 ? 內(nèi)含可編程的具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 5) 其他特點(diǎn) ? 片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測復(fù)位電路 BOD ? 片內(nèi)含有 1/2/4/8MHz經(jīng)過標(biāo)定的、可校正的 RC振蕩器可作為系統(tǒng)時鐘使用， ? 多達(dá) 21個各種類型的片外部中斷源 ? 有 6種休眠模式支持節(jié)電方式 ? 工作電壓范圍寬： ATmega16L為 ～ ， ATmega16為 ～ ? 運(yùn)行速度快： ATmega16L為 0～ 8MHz， ATmega16為 0～ 16MHz ? 低功耗： ATmega16L工作在 1MHz、 3V、 25℃時的典型功耗：正常工作模式為 ，空閑工作模式為 ，掉電工作模式為 1uA。 AVR 單片機(jī) 的內(nèi)核結(jié)構(gòu) 本課題中的硬件平臺主要以 ATmega16 單片機(jī)（工業(yè)級）為核心 ， ATmega16是 ATME