【導(dǎo)讀】實(shí)驗室作為實(shí)踐教學(xué)中的重要場所，在學(xué)校教學(xué)中扮演了重要的角色。ZigBee技術(shù)的儀器設(shè)備管理系統(tǒng)。問題提出了一種解決方案。利用ZigBee技術(shù)，通過無線發(fā)送模塊把檢測得到的數(shù)據(jù)發(fā)。有更即時方便高效的管理。硬件電路設(shè)計從低成本、低功耗、高性能方面考慮，以無線。通信芯片CC2430為核心，設(shè)計了傳感器信號處理電路、電源轉(zhuǎn)換電路和信號接口電路，對天線的設(shè)計選擇進(jìn)行了分析。軟件設(shè)計主要討論了ZigBee協(xié)議的結(jié)構(gòu)和不同的節(jié)點(diǎn)。應(yīng)實(shí)現(xiàn)的各種功能。研究方向和重點(diǎn)。

　　

【正文】 D 數(shù)據(jù)信號 5 NC 空腳 6 NC 空腳 7 RESET 復(fù)位引腳，低電平有效 8 NC 空腳 9 VDD 空腳 10 NC 空腳 供電電路設(shè)計 CC2430 工作在 的 ISM 頻段，工作頻率較高。為了保證 CC2430 內(nèi)部處理 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 器以及射頻末端電路工作的穩(wěn)定性，提高 CC2430 長期運(yùn) 行的可靠性，在芯片工作電源的設(shè)計上采用 ACDC 開關(guān)隔離、 DCDC開關(guān)穩(wěn)壓和 LDO 線性穩(wěn)壓相結(jié)合的供電方式 。CC2430 內(nèi)部使用 工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備，外部數(shù)字 I/O 接口使用 V 電壓，這樣可以保持和 邏輯器件的兼容型。它在片上集成了一個自流穩(wěn)壓器，能夠把 電壓轉(zhuǎn)化成 電壓。這樣對于只有 電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。如圖 所示 220V 的交流電經(jīng)過 ACDC 隔離開關(guān)電源，得到 1 組約為 12V 的直流低壓，為傳感器信號處理電路中的功放 LM741 供電；然后經(jīng)過降壓型 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電路得到 5V 的電壓，為 LED 指示電路等 ZigBee 電路模塊以外的很多電路供電；再經(jīng)過 LDO 線性穩(wěn)壓電路得到 的電壓，此電壓對 CC2430 電路模塊進(jìn)行供電。采用這種供電方式，可以大幅度降低電網(wǎng)尖峰脈沖對 CC2430 電路的干擾，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 下圖為電源模塊設(shè)計方案。 圖 供電電路設(shè)計 經(jīng)過考量，選用： LH1010A12/10W 作為 AC/DC 隔~220V ACDC 隔離開關(guān)電源 LDO 線性穩(wěn)壓電路 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源 CC2430 無線模塊 其他硬件 電路模塊 12V 5V 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 離 開關(guān)電源，其各項性能指標(biāo)： 表 LH1010A12/10W 性能指標(biāo) 產(chǎn)品認(rèn)證 CE 類型 AC/DC 電源 品牌 華唯 HUAVEI 輸出電壓 177。12VDC(V) 輸出功率 10(W) 輸入電壓 85VAC~264VAC(V) 型號 LH1010A12 工作效率 78(%) 輸出電壓精度 1(%) 負(fù)載調(diào)整率 100(%) 電壓調(diào)整率 100(%) 開關(guān)穩(wěn)壓芯片構(gòu)建 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電路， 由于它是開關(guān)穩(wěn)壓器，和線性穩(wěn)壓器比起來轉(zhuǎn)換效率較高，發(fā)熱低 。其電 氣特性： 表 性能參數(shù) 特性 條件 典型值 極限值 Vout 8VVin60V,Iout3A RT916333 LDO 芯片構(gòu)建線性穩(wěn)壓電路輸出 電壓。電氣特性： 表 RT916333 LDO 性能參數(shù) 整個供電電路模塊的電路原理圖如下： 圖 供電電路原理圖 特性 條件 典型值 極限值 Vout Vin= 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 LED 指示信號 電路模塊 本設(shè)計用發(fā)光二極管 LED 用來顯示系統(tǒng)的功能狀態(tài)。 D1 用來顯示系統(tǒng)的通電狀態(tài)，電源接通后， LED 發(fā)光。通過給系統(tǒng)編程，控制 、 的電位， D2 可以用來顯示系統(tǒng)處于入網(wǎng)狀態(tài)， D3 可以來顯示系統(tǒng)處于通信狀態(tài)。工作電壓取自電源模塊的 5V輸出端口。 圖 LED 指示電路 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案研究 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟件設(shè)計是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提高系 統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。 ZigBee 系統(tǒng)軟件的開發(fā)是在廠商提供的 ZigBee 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 本設(shè)計以 ZStack 作為 ZgBee 協(xié)議。 圖 為 系統(tǒng) 軟件總體結(jié)構(gòu)。 圖 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) ZStack 協(xié)議棧 將硬件的驅(qū)動放在了硬件抽象層 (HAL)中 ， 這樣便可將軟件編程從具體的硬件細(xì)節(jié)中分離開來。使用時可以對 HAL 中驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉粢赃m應(yīng)實(shí)際開發(fā)系統(tǒng)的外設(shè)。 ZigBee 協(xié)議棧 ZStack 運(yùn)行在一個 OSAL(操作系統(tǒng)抽象層 )操作系統(tǒng)上。 該 操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制 ， 通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個任務(wù)都包含若干個事件，每個事件都對應(yīng)一個事件號。當(dāng)一個事件產(chǎn) 生時 ， 對應(yīng)任務(wù)的事件 就被設(shè)置為相應(yīng)的事件號。這樣事件調(diào)度就會調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。 OSAL 中的任務(wù)可以通過任務(wù) API 將其添加 到系統(tǒng)中 ,應(yīng)用程序通過調(diào)用操作系統(tǒng)的 API 而使操作系統(tǒng)去執(zhí)行應(yīng)用程序的命令 ， 這樣就可以實(shí) 現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。 OSAL 就是以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)為核心的系統(tǒng)資源管理機(jī)制。所以 OSAL 與標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)還是有很大的區(qū)別的。簡單而言，硬件平臺 HAL ISR OSAL OSAL APIs ZStack 應(yīng)用 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 OSAL 實(shí)現(xiàn)了類似操作系統(tǒng)的某些功能，但并不能 稱之為真正意義上的操作系統(tǒng)。 ISR是 中斷服務(wù)程序 。 OSAL 任務(wù)調(diào)度流程如圖 所示。 圖 OSAL 任務(wù)調(diào)度流程 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境 系統(tǒng)采用 IAR 作為 CC2430 的軟件開發(fā)平臺。 IAR 是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于 1983 年，迄今已有 27 年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和測試的每一個階段，包括：帶有 C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、實(shí)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(jī)建模工具。 公司總部在北歐的瑞典，在美國、日本、英國、德國、比利時、巴西和中國設(shè)有分公司。它最著名的產(chǎn)品是 C 編譯器 — IAR Embedded Workbench, 支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用 IAR Systems 提供的開發(fā)工具，用以開發(fā)他們的前沿產(chǎn)品，從消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車應(yīng)用、醫(yī)療、航空航天到手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 20xx 年 6 月， IAR Systems 在中國成立辦事處； 20xx 年 5 月，成立愛亞軟件技術(shù)咨詢（上海）有限公司，以加強(qiáng)對中國以及部分東亞國家的產(chǎn)品銷售和技術(shù) 支持。 VB界面采用 Visual Basic 來進(jìn)行開發(fā)。 Y 任 務(wù)事件查詢 N 開始 執(zhí)行任務(wù) 是否有 新任務(wù) 返回 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 ZStack 協(xié)議棧 ZStack 概述 ZStack 是 ZigBee 技術(shù)的核心軟件，是開發(fā) IEEE 關(guān)鍵軟件， ZStack 符合 ZigBee20xx 規(guī)范的要求，并且在硬件上支持 CC24 CC2431以及 MSP430 平臺。 TI 協(xié)議棧一直在不斷的完善中，從最初的 版本到現(xiàn)在的 .3 版本，無論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作了大量的改進(jìn)。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是以 ZStack 協(xié)議 棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點(diǎn)完成的功能分為參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)。對 ZStack 協(xié)議棧的理解運(yùn)用是項目開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。 ZigBee 協(xié)議棧分為有償和無償兩種。目前世界上最大的兩家 ZigBee 芯片提供商 TI和 Freescle 都推出了符合各自生產(chǎn)的 ZigBee 芯片的協(xié)議棧。比起 Freescle 價格不菲的 ZigBee 協(xié)議棧， TI 提供的 ZigBee 協(xié)議棧 — ZStack 在 20xx 年中已經(jīng)全部免費(fèi)公開 ， 這樣便大大降低了開發(fā)的成本和難度。如此采用 TI 的 ZigBee 解決方案便有了很好的性價比。ZStack 在 TI 的官方 網(wǎng)站 上可以下載。 ZStack 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ZStack協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)以及各種用戶配置結(jié)合起來的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。各層之間通過各層的 API函數(shù)實(shí)現(xiàn)相互連接和通信，最終達(dá)到完整有效的運(yùn)行。 ZStack協(xié)議棧是 IEEE 準(zhǔn)的擴(kuò)展集 ,ZStack協(xié)議棧的框架是由一組層組成的。上述層中每一層都要執(zhí)行一組特定的服務(wù)任務(wù)。 圖 ZStack 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 圖 。在 IEEE ：物理層（ PHY）和媒體接入控制（ MAC）層。 ZigBee聯(lián)盟建立在網(wǎng)絡(luò)層和安全層及應(yīng)用層框架提供的基礎(chǔ)上。 ZStack 運(yùn)行在 IAR 以上的集成開發(fā)環(huán)境， IAR 運(yùn)用 C51 編譯器，在該集成開發(fā)環(huán)境中，可以看到個完整的 ZStack 協(xié)議棧包含的功能部分組成。如下圖所示。 媒質(zhì)接入層 MAC 物理層 PHY IEEE ZigBee 聯(lián)盟 網(wǎng)絡(luò) 和安全層 應(yīng)用框架 應(yīng)用程序和配置文件 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 ZStack 協(xié)議棧組成 ZStack 是完全符合 ZigBee20xx 標(biāo)準(zhǔn)的，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)也與 ZigBee 規(guī)范完全吻合。包括最上層的應(yīng)用層 (APP)，在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計，外部任務(wù)的調(diào)用和執(zhí)行，并可以通過 API 函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。 HAL 層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺的不同，給出了各種不同的硬件資源，如按鍵、發(fā)光二極管等各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。 如上文所說 用戶可以通過調(diào)用它的 API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序功能的外部表征。 MAC 以及 NWK 層主要實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。 OSAL 是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上。 Tools 是配置文件，通過對其內(nèi)部文件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信道編號和 PANID 號， 并且最重要的一個功能是通過設(shè)置其相應(yīng)的文件包含可以預(yù)定義節(jié)點(diǎn)的邏輯類型，即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)或者是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 ZDO 是 ZigBee 設(shè)備對象的簡稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能實(shí)現(xiàn)。 ZMain 是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個應(yīng)用程序都是從 ZMain 函數(shù)作為入口，首先是硬件初始化，存儲器初始化最后是操作系統(tǒng)無限循環(huán)。 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計 本設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計基于 ZStack— CC2430— 協(xié)議棧版本，協(xié)議棧支持協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn) 3 種 節(jié)點(diǎn)類型，協(xié)議棧的算法采用的是樹狀路由算法，可以組建簡單的星型網(wǎng)絡(luò)以及較為復(fù)雜的樹形網(wǎng)絡(luò)。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要是用戶根據(jù)項目的實(shí)際需要在協(xié)議棧的應(yīng)用層開發(fā)自己的用戶程序?；趯?shí)驗室儀器設(shè)備管理的需要，根據(jù)設(shè)備分布的特點(diǎn)，在實(shí)驗室布置傳感器節(jié)點(diǎn)（路由器節(jié)點(diǎn)或者終端節(jié)點(diǎn)），在管理室上位機(jī) PC 布置協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的具體軟件功能是：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（ Coordinator）建立一個局域無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)內(nèi)短地址固定為 0X0000，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由以及間接消息的轉(zhuǎn)發(fā)；路由器（ Router）以 及終端節(jié)點(diǎn)（ RFD）加入相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)命令后，定期向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)。為了減小系統(tǒng)功耗，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在定時時間未到時處于低功耗狀態(tài)（睡眠狀態(tài)），終端節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)在未收到采集數(shù)據(jù)命令時也處于低功耗狀態(tài)（睡眠狀態(tài)）。此外路由器節(jié)點(diǎn)在整個網(wǎng)絡(luò)的工作中還起著數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)淖饔谩? 具體的節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖 所示，在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的設(shè)計中，為了確保發(fā)送的數(shù)據(jù)包確實(shí)被目的節(jié)點(diǎn)接收到，在數(shù)據(jù)包的發(fā)送中采用了 APS 層確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制，如果發(fā)送數(shù)據(jù)包后在 規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到應(yīng)答確認(rèn)信息，則重新發(fā)送，連續(xù) 3次發(fā)送失敗，則此次操作視為無效。此外，為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，終端節(jié)點(diǎn)以及路由器節(jié)點(diǎn)定時向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送 Ping 命令以檢測當(dāng)前的鏈路狀態(tài)。根據(jù) ZStack 協(xié)議棧以及各節(jié)點(diǎn)在在線監(jiān)測系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)共同組建一個較為復(fù)雜的樹形網(wǎng)絡(luò)，并且由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建網(wǎng)后在網(wǎng)內(nèi)有明確的 16 位短地址 0X0000，故在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與其它無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊中采用直接消息傳遞模式。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 接收中斷否否開始系統(tǒng)初始化建網(wǎng)成功休眠、等待定時時間定時時間到發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令是第三次嗎建立網(wǎng)絡(luò)發(fā)送成功數(shù)據(jù)完整