【導讀】數(shù)據(jù)處理集成于一體的智能化系統(tǒng)，具有非常廣闊的應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡可應用。無線傳感器網(wǎng)絡是一個復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，由大量分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)或人跡罕至。地區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成。節(jié)點能夠采集和處理傳感器的數(shù)據(jù)，并且通過ZigBee. 無線傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，最后由匯聚節(jié)點發(fā)送到監(jiān)控中心。合，闡述無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件和軟件設計方法。在本設計中，選用功耗較小的CC2430芯片作為通信芯片來設計節(jié)點。片只需極少的外部元件，便可構建低成本的ZigBee節(jié)點。在此基礎上，通過編寫協(xié)議。調器節(jié)點、路由節(jié)點以及終端傳感器節(jié)點的組網(wǎng)通信實驗。行距離測試和穿透性測試，結果表明，各項指標均達到設計要求。

　　

【正文】 CC2430 典型電路 在上述典型應用電路中，采用了非平衡天線，為了是電路性能更好，可以連接非平衡變壓器。如上圖由電容 C262 和電感 L261， C252， L252 構成的非平衡變壓器，該結構滿足了 RF 輸入 /輸出匹配電阻（ 50Ω）的要求。 32MHz 晶振使用了一個外部 32MHz振蕩器 XTAL1 和兩個負載電容（ C221 和 C231）。圖中所示 XTAL2 是一個可選的 晶振，有兩個負載電容（ C321 和 C331）用于 晶振。 晶振用于要求非常低的睡眠電流消耗和精確喚醒時 間的應用。 片上穩(wěn)壓器提供了 的數(shù)字邏輯。這一穩(wěn)壓器要求一個去耦電容（ C401） 獲得穩(wěn)定運行。 傳感器模塊設計 CC2430 包含了 1 個模擬溫度傳感器和 1 個多達 14 位的模擬數(shù)字轉換 ADC,內(nèi)部ADC 包括一個模擬多路轉換器，具有多達 8 個各自可配置的通道；以及一個參考電壓發(fā)生器，轉換結果通過 DMA 寫入存儲器。還具有若干運行模式。 ADC 的主要特性如下：可選的抽取率，這也設置了分辨率（ 7 到 12 位）； 8 個獨立的輸入通道，可接受單端或差分信號； 參考電壓可選內(nèi)部 單端、外部單端、外部差分或 AVDD5； 產(chǎn)生中斷請求；轉換結束時的 DMA 觸發(fā)；溫度傳感器輸入；電池測量功能。 ADC 框圖如 35 所示。 程兵 ： ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計 14 圖 35 ADC 方框圖 電源模塊設計 電源部分采用 LM1117 穩(wěn)壓芯片， LM1117 是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路，輸出電壓可以是： ， ， ， ， 和 5V， 能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的、抗干擾性的支流電流，如圖 36 所示為系統(tǒng)提供 電源。 圖 36 電源模塊原理圖 安徽工程大學機電學院畢業(yè) 設計 （論文） 15 圖 37 穩(wěn)壓電源電路原理圖 按鍵與指示燈設計 因為 CC2430 芯片的 P1_0 和 P1_1 引腳驅動電流為 20mA，所以選用這兩個引腳驅動 LED 電路按鍵電路與指示燈電路圖如下 38 和 39 所示。 圖 38 按鍵電路原理圖 程兵 ： ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計 16 圖 39 指示燈電路 圖 串口通信模塊設計 匯聚節(jié)點收到終端節(jié)點傳輸來的溫度數(shù)據(jù)，最終傳輸給終端 PC 機進行檢測， RS232 串口通信是一種簡單地實現(xiàn)在 PC 機和匯聚節(jié)點之間通 信的方式。 CC2430 輸出的是 TTL 電平， TTL 電平的定義是：電源小于 的時候代表邏輯 0， 電壓大于 的時候代表邏輯 1。而 PC 的串口數(shù)據(jù)采用的是 RS232 電平，該電平是一種負邏輯電平， RS232 電平的定義是：電壓在 5~15V 的時候表示邏輯 0；當電壓在 15V~5V 的時候表示邏輯 1?？梢姸咭雽崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，必須通過一個電平轉換電路。 考慮到目前 USB 接口更加方便連接，我們選用了 Prolific 公司生產(chǎn)的 PL2303 芯片， 該芯片是一種高度集成的 RS232USB 接口轉換器 ，可提供一個 RS232 全雙工異步串行通信裝置與 USB 功能接口便利連接的解決方案。該器件能方便的內(nèi)嵌入各種外設，因為外接幾個電容就能正常工作，內(nèi)部含有 USB 功能控制器、振蕩器等模塊。 PL2303 的轉換是雙向的，既可以把接收到主機的 USB 數(shù)據(jù)轉換為 RS232 數(shù)據(jù)發(fā)送給外設，又能把從外設接收的 RS232 數(shù)據(jù)轉換為 USB 數(shù)據(jù)傳送給主機，串口轉換電路如 310 所示 ,RS232 串口電路原理圖如 311 所示， CC2430 收發(fā)模塊原理圖如圖 312 所示。 安徽工程大學機電學院畢業(yè) 設計 （論文） 17 圖 310 串口轉換電路 圖 圖 311 RS232 串口電 路原理圖 程兵 ： ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計 18 CC2430 收發(fā)模塊原理圖 A V D D _ S O C20A V D D _ D R E G41D V D D7D V D D47D C O U P L42P 2 048P 2 146P 2 245P 1 0 / L E D9P 1 1 / L E D8P 1 26P 1 35P 1 44P 1 53P 1 62P 1 71P 0 011P 0 112P 0 213P 0 314P 0 415P 0 516P 0 617P 0 718R E S E T _ N10G N D49A V D D _ R R E G23R R E G _ O U T24R B I A S 226R B I A S 122X O S C _ Q 219X O S C _ Q 121P 2 3 / X O S C _ Q 144P 2 4 / X O S C _ Q 243R F _ N34T X R X _ S W I T C H33R F _ P32A V D D _ I F 125A V D D _ C H P27A V D D _ G V A R D28A V D D _ V C C29A V D D _ P R E30A V D D _ R F 131A V D D _ S W35A V D D _ R F 236A V D D _ I F 237A V D D _ A D C38D V D D _ A D C39A V D D _ D G U A R D40U3C C 2 4 3 0C11 8 n FC21 8 n FC41 8 n FC?C A PC?C A PX23 2 .7 6 8 M H ZR22 2 n HR12 2 n HR3R E SC71 8 n FC81 8 n FC92 2 n F 2 2 n FC 1 0C 1 3C A PC 1 22 2 n FC 1 12 2 n FV C CR4R4X13 2 M H Z12345678910P1C O N 1 012345678910P2C O N 1 0R94 3 KR94 3 KR E DL E DG R E E NL E DV C CC31 8 n F 圖 312 CC2430 收發(fā)模塊原理圖 安徽工程大學機電學院畢業(yè) 設計 （論文） 19 第 4 章 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點軟件設計 在已設計好的硬件平臺的基礎上，進行軟件設計。只有硬件和軟件配合起來，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的應用。軟件設計包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收以及通信協(xié)議。本章的軟件設計采用的是 IAR 開發(fā)平臺。 無線傳感器網(wǎng)絡軟件開發(fā)指標 無線傳感器網(wǎng)絡因其資源受限、動態(tài)性高和以數(shù)據(jù)為中心的特點，對軟件的開發(fā)設計提出了以下要求： （ 1） 自適應。 由于網(wǎng)絡的變化不可預知，軟件系統(tǒng)需要能及時地控制節(jié)點的工作狀態(tài)，自適應地應對環(huán)境因素與網(wǎng)絡結構的多變，實時地響應系統(tǒng)指令。 （ 2） 能量優(yōu)化。由于傳感器節(jié)點采用電池供電，對節(jié)能的要求非常高，除了休眠機制，在軟件設計時要考慮用精簡的代碼實現(xiàn)各種協(xié)議與算法。 （ 3） 模塊化。軟件的模塊化設計是非常需要的，為了快速應對不同的應用，考慮軟件的重用性，編寫代碼時讓每個模塊完成相應的獨立的功能，不僅使程序一目了然，也方便調試。 （ 4） 面向具體應用。軟件設計應該是面向具體應用來進行開發(fā)設計的，相關性能指標要滿足用戶的要求。 ZigBee 軟件集成開發(fā)平臺簡介 本文使用 IAR 作為軟件開發(fā)工具。 IAR Embedded Workbench（簡稱 EW）兼容 C 和C++交叉編譯器和調試器，也是目前最流行、最實用和使用人數(shù)最多的使嵌入式應用開發(fā)工具。 IAR 全名 IAR Systems 是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具供應商（簡稱 IAR 公司），該公司成立于 1983 年，提供的產(chǎn)品和服務包括：嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)、標準化、設計等各個階段。產(chǎn)品和服務包括嵌入式系統(tǒng)的設計、測試等各個階段。包括：帶有 C/C++ 編譯器和調試器的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、實時操作系 統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。 IAR Embedded Workbench 作為完整實用的嵌入式開發(fā)工具。提供了從代碼編輯器、工程建立到 C/C++編譯器、連接器和調試器的一系列工具。而且結合有各種仿真器、調試器，方便用戶在完成開發(fā)工作的時候 ，都是面對同一種界面，使其更加具有兼容性和移植性，這也是 EW 廣為流傳的原因之一。 IAR Embedded Workbench 集成編譯器的特征包括：同 C 語言兼容；超高效率的的 PROMable 代碼；內(nèi)部自帶程序速度和大小優(yōu)化器；支持版本擴展；多種中 斷和模擬設置；精確浮點分析；多種內(nèi)存模式等 IAR 軟件編程的基本步驟：新建工作空間；新建工程（選擇配置等參數(shù)設置）；保存工程名；新建文件；保存文件；選擇芯片；設置生成燒文件；編譯程序、鏈接、編譯，沒有錯誤即可生成燒錄文件、仿真調試。由于 Workbeneh 使用了所謂“工程” (project)的概念，工程的建立、設置、編譯等方法都非常便捷，容易掌握。 ZStack協(xié)議棧介紹 ZStack 是 TI 公司開發(fā)的 ZigBee 協(xié)議棧，并且經(jīng)過了 ZigBee 聯(lián)盟的認可而為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用。 ZStack 實 際上是幫助程序員方便開發(fā) ZigBee 的一套系統(tǒng)，它采用輪轉查詢式操作系統(tǒng)，包括兩個主要流程：系統(tǒng)初始化和執(zhí)行操作系統(tǒng)。系統(tǒng)初始化完成后，就進入執(zhí)行操作系統(tǒng)，并且在其中是一個死循環(huán)。執(zhí)行操作系統(tǒng)中主函數(shù)即為輪詢式操作系統(tǒng)的主體部分。操作系統(tǒng)在程序中位于 OSAL 層，它實現(xiàn)了一個很容易操作的系統(tǒng)平臺。雖然它與協(xié)議棧是獨立的，但是整個協(xié)議是在 OS 的基礎上才能運行程兵 ： ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計 20 的。 OSAL 提供的服務包括：信息管理，信息管理的作用是為任務之間的信息交換或者外部事件的處理提供一種管理機制，例如：中斷程序或者一個循環(huán)程序里面的函數(shù)調用等 。包括是否允許任務分配的緩存信息、是否發(fā)生命令信息給其他任務、接受應答信息等 API 函數(shù)；時間管理，該 API 提供一個開始和停止的定時器的功能，這個定時器能提供給內(nèi)部和外部任務使用；任務管理，用于系統(tǒng)任務和用戶自定義任務的創(chuàng)建、管理和處理等；內(nèi)存管理，用于設置分配存儲系統(tǒng)，比如允許動態(tài)存儲的分配；電源管理，當OSAL 關閉時使處理器進入休眠狀態(tài)時，該系統(tǒng)提供向應用通告該事務的方式。 ZStack 協(xié)議棧中層與層之間都是通過執(zhí)行原語來完成相關操作，所以協(xié)議棧的內(nèi)部在同一時間有很多操作在進行。為了處理層與層之間的關系 ，協(xié)議棧在每一層都設計了相關的處理函數(shù)，用來管理和處理事件。這些函數(shù)是由相應的層所要實現(xiàn)的功能和完成的任務所決定的， OSAL 負責管理和調用這些函數(shù)。因此，當有任何事件發(fā)生的時候，我們可以直接調用協(xié)議棧里的相應層來完成事件，即調用相應層的處理函數(shù)即可。通過調用函數(shù)，我們能很方便的實現(xiàn)協(xié)議棧各層的管理和服務。 ZStack 協(xié)議棧對于實時性要求并不高， OSAL 的任務調度和管理使用的方法是： 任務分配資源的機制。軟件和資源的初始化是由 OSAL 來實現(xiàn)的，而在軟件初始化中，又包括數(shù)據(jù)結構、變量類型等。資源初始化又包括 內(nèi)部資源文件和外部資源文件的初始化，兩者的調用的方法是有區(qū)別的，內(nèi)部資源文件是有 init（） 調用 initInternal （） 直接初始化的，而用戶的資源文件是通過配置模塊實現(xiàn)的。 OSAL 對協(xié)議棧中各層的管理是通過鏈表的結構來實現(xiàn)的。 OSAL 在這中間起到了類似操作系統(tǒng)的作用，它是一個以實現(xiàn)多任務為核心的系統(tǒng)管理機制。所以鏈表里面存儲了各個事件的處理函數(shù)，而這些函數(shù)以結構體的形式存儲在鏈表中，這些函數(shù)也反應了協(xié)議棧的基本信息和狀態(tài)。這些函數(shù)按照優(yōu)先級別的高低依次存入鏈表，存入順序由高到低，優(yōu)先級別低的插入優(yōu)先 級別高的后面。如果碰到兩個優(yōu)先級相同的任務事件，則根據(jù)事件的先后存入鏈表。當任務事件存入鏈表成功后，就能很方便的通過 OSAL 的調用來完成任務。而且鏈表建立之后，只要系統(tǒng)正常工作， 就一直存在，除非系統(tǒng)停止工作或者硬件斷點才會消失。 ZSta