【正文】 O放置在應(yīng)用幀框架和應(yīng)用支持子層之間，它能夠滿足執(zhí)行在 ZigBee 協(xié)議棧之間的普通請求。 ZDO主要負(fù)責(zé)： 初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)規(guī)范。 從終端應(yīng)用組裝 (集合 )構(gòu)架信息以確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理和綁定管理。 ZDO為應(yīng)用幀層中的應(yīng)用對象提供了公共的接口，以控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)功能。ZDO連接 ZigBee協(xié)議棧較低層，在終點口上，利用 APSDE— SAP提供數(shù)據(jù)，利用APSME— SAP 傳送控制信息，公共接口為設(shè)備管理、發(fā)現(xiàn)、封裝和安全功能提供地址管理。 ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要的函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個重要的功能就是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對象。 5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 5． 1 系統(tǒng)設(shè)計原則 低功耗：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要優(yōu)勢是擺脫了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連線限制和成本問題．但是，如果沒有合適的無線電源，這一優(yōu)勢就無法體現(xiàn)出來．此外，對傳感器節(jié)點來說，通常采用 AAA電池或者鈕扣式電池供電，電池電量不可能很高，因此傳感器節(jié)點的功耗是設(shè)計考慮的關(guān)鍵因素，因為如果必須時常更換電池 (例如每周或每月 )，那么相關(guān)的勞動力成本便會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它相對 有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的成本。 如果攜帶較多的電池，雖然可以解決電源問題，但必然會增大體積，提高成本，更加積極的方法是降低無線傳感器節(jié)點的功耗． 可靠性與安全性：系統(tǒng)在應(yīng)用中必須保證能夠可靠的運行，在特定條件下對數(shù)據(jù)的安全性也有較高的要求．系統(tǒng)應(yīng)具有較高的可靠性，能確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和一致性，在系統(tǒng)故障或事故造成中斷后，具備迅速恢復(fù)的功能，同時系統(tǒng)應(yīng)具有一整套完整的管理策略，可以保證系統(tǒng)的運行安全．系統(tǒng)設(shè)計中從硬件到軟件都必須考慮可靠性要求．在設(shè)計過程中。硬件選用先進(jìn)、成熟、可靠的產(chǎn)品，軟件也盡可能采用成熟的算 法，并根據(jù)系統(tǒng)特點添加可靠性機(jī)制． 基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計 19 5． 2 系統(tǒng)元件概述 無線溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是 MSP430 和 CC2500 結(jié)合的一個典型應(yīng)用，eZ430RF2500 是一個完全基于 USB 接口的 MSP430 開發(fā)工具，評價 MSP430F2274單片機(jī)和 CC2500 無線收發(fā)器的硬件與軟件測試。 eZ430RF2500 平臺的特點如下：（實物見附圖 2） 1： USB式的自動調(diào)試和編程接口，可以自動安裝與反饋。 2： 21個可擴(kuò)展引腳。 3： MSP430系列單片機(jī)具有高度整合，超低功耗的特點 4： 2個通用的數(shù)字 I/O接口直接連到紅綠 LED燈，以便視覺反饋。 5：可中斷按鈕的反饋作用。 盡管 eZ430RF2500 平臺中有兩塊一樣的板，但它們在無線傳感器中完全是作為有獨立特點的獨立部件存在的。一個和 USB接口連接，作為存取點模塊；另一個和電池板連接，作為中斷發(fā)送模塊。 5． 2． 1 存取點（ AP） 存取點的執(zhí)行的首要任務(wù)是傳遞啟動信息到串行通訊端口，然后網(wǎng)絡(luò)存取點會像網(wǎng)絡(luò)中心一樣對系統(tǒng)初始化，初始化程序完成后，存取點傳送文件會顯示成功如下： 存取點使用的是 ADC10內(nèi)部溫度傳感器，初始化成功后，它會每秒鐘測試一次環(huán)境溫度，以傳送到計算機(jī)中。另外，存取點還可以不斷的接受新的終端設(shè)備的加入。兩種顏色的 LED燈顯示了存取點的兩種工作狀態(tài)：紅燈亮表明正在進(jìn)行存取點與電腦之間的數(shù)據(jù)測量的傳送；綠燈亮表明正在進(jìn)行對一個網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接收。 5． 2． 2 終端設(shè)備（ ED） 啟動后，終端設(shè)備會立即尋找對應(yīng)的存取點來連接，在 尋找的時候，綠色和紅色的 LED燈都會發(fā)光。當(dāng)搜尋到一個存取點時，終端設(shè)備會嘗試網(wǎng)絡(luò)連接，紅燈的閃爍則表明這項工作正在進(jìn)行。如果無法連接，則紅燈會一直閃爍。一旦連接到存取點，所有的燈會暫時熄滅，還原為缺省值，然后當(dāng)正常工作時，綠燈會一直保持發(fā)光。 5． 3 操作模式 本套設(shè)備為存取點和計算機(jī)串行通訊接口之間的通信提供了兩種指定的顯示方式，每一種方式又包含兩種操作模式。使用者必須每次操作時選擇其中的一個選項，每種模式可以通過輸入不同的字符來區(qū)分，一共有四個字符（不區(qū)分大小寫）： 溫度顯示選項 1： C – 以攝氏 溫標(biāo)輸出所有溫度 F – 以華氏溫標(biāo)輸出所有溫度 數(shù)據(jù)格式顯示選項 2： V – 以擴(kuò)展的冗余模式顯示所有數(shù)據(jù) 基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計 20 M – 以最簡模式顯示所有數(shù)據(jù) 5． 3． 1 冗余模式 下面是一個存取點輸出的冗余模式的例子： Node（節(jié)點）： 這是中心的數(shù)據(jù)標(biāo)識符，這是每一個終端設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)后所給定的。 Temp（溫度）： 這是節(jié)點測試的溫度，根據(jù)使用者的選擇，它可以顯示為攝氏溫標(biāo)或者華氏溫標(biāo)。 Battery（電池）：這是測量的給 MSP430供電的電池的電壓值。 Strength（強(qiáng)度）：這是由 CC2500射頻測試的接收信號強(qiáng)度顯示，為了方便讀取，以百分比的形式顯示。 RE： 該選項顯示接收數(shù)據(jù)是否通過距離擴(kuò)展器。 5． 3． 2 最簡模式 下面是一個存取點輸出的最簡模式的例子： 該模式以最簡的方式傳送數(shù)據(jù)以減少頻帶寬度的使用，它最初的目的是分析計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用觀察器。最簡模式的輸出和冗余模式的輸出包含了同樣的內(nèi)容，順序也相同。數(shù)據(jù)之間以逗號隔開，以 $字符開頭，以 字符結(jié)尾。 5． 4 溫度傳感器節(jié)點硬件方案研究設(shè)計 針對以上問題以及系統(tǒng)功能要求設(shè)計了溫度傳感器節(jié)點硬件，本章將介紹以MSP430 單片機(jī)為核心的電路設(shè)計，分為溫度傳感器終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點兩大部分，結(jié)構(gòu)如圖 5． 1 所示，主要 包括電源模塊、存儲器模塊、無線傳輸模塊、液晶顯示模塊、傳感器接口、串行通信接口和輸入輸出接口等模塊． 圖 溫度傳感器節(jié)點硬件總體結(jié)構(gòu)圖 基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計 21 5． 5傳感器節(jié)點主電路設(shè)計 5． 5． 1控制器電路設(shè)計 本次無線傳感器節(jié)點的 MCU 選用 MSP430F2274，為了滿足低功耗的需求。MSP430 單片機(jī)有 3 種系統(tǒng)時鐘可供選擇，分別為片內(nèi) DCO，外接低速時鐘 XTI和高速時鐘 XT2．為了適應(yīng)軟件開發(fā)的需要，協(xié)調(diào)器節(jié)點上單片機(jī)的 Rose 腳外接了 100KI)電阻，以提高片內(nèi) DCO 的穩(wěn)定性，同時在 XTI 和 XT2 分別連接32． 768KHz低速晶體振蕩器和 8MHz的高速晶體振蕩器。此外，為了能為事件記錄提供準(zhǔn)確的時間，配置了實時時鐘功能，芯片選用 DSl302，連接到單片機(jī)的P4． O～ P4． 2腳。 DSl302內(nèi)部的 31個非易失性存儲器可以保存系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)．在終端節(jié)點上，只需要一個 32． 768KHz 的低速晶振， MSP430F2274 時鐘模塊應(yīng)用了增強(qiáng)型鎖相環(huán)技術(shù) FU^可以根據(jù)需要產(chǎn)生需要的高速時鐘． 為了適應(yīng)不同應(yīng)用對外擴(kuò)存儲器的需要，協(xié)調(diào)器節(jié)點上設(shè)計了 2 種擴(kuò)展存儲器方案，分別為 12C接口的 EEPROM24LC256和 SPI接 13的 Flash存儲器 M25P80，還可以根據(jù)需要選用引腳兼容的不同容量芯片替換。節(jié)點上 24LC256的地址為 0，在其 12C總線上配置了 3個 10K． Q的上拉電阻。為了增加設(shè)計的靈活性， M25P80沒有和 CC2500共用個 SPI接口，而是連接到單片機(jī)的通用 I／ O引腳 P6． 2～ P6． 7，由軟件實現(xiàn) SPI接口。 5． 5． 2輸入輸出模塊設(shè)計 溫度傳感器終端節(jié)點的輸入輸出模塊提供節(jié)點配置所需的開關(guān)和按鍵功能，單片機(jī)在上電時。通過 P1． 2P1． 4的狀態(tài)選擇工作模式， INC和 DEC 為按鍵。 協(xié)調(diào)器節(jié)點上， MCU有較多的輸入輸出接口，為方便連接各種擴(kuò)展模塊，完成不同的輸入輸出功能，協(xié)調(diào)器節(jié)點上提供 2路模擬量的輸入和 2路開關(guān)量的輸出。 2路模擬量通過分壓后連接到 MSP430單片機(jī)的 12位 A／ D轉(zhuǎn)換器，可以是 4～20mA 的電流信號，也可以是 O～ 5V 的電壓信號。 2 路開關(guān)量輸出 PO P02 通過光偶隔離后驅(qū)動外部設(shè)備，如圖 5． 2 所示。另外，提供了 4 路按鍵輸入和 4 路LED 顯示。分別連接單片機(jī)的中斷引 腳 PI． 4～ P1． 7 和通用 I／ O 引腳 P5． 4～P5． 7． 圖 5． 2 協(xié)調(diào)器節(jié)點輸入輸出接口圖 5． 6傳感器節(jié)點電源設(shè)計 溫度傳感器節(jié)點上共設(shè)計了兩種電源，一種為電池供電，應(yīng)用在終端節(jié)點上；基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計 22 另一種為 10～ 30V直流電源供電，用在協(xié)調(diào)器節(jié)點上． 5． 6． 1終端節(jié)點的可控電源設(shè)計 溫度傳感器終端節(jié)點采用 2 節(jié) AAA 堿性電 池供電。采用 TPS60210 作為電源管理芯片，為節(jié)點供電。 TPs60210 是一款低功耗的電源管理芯片，當(dāng)輸入電壓降至 1． 6V時仍可以輸出穩(wěn)定的 3． 3V電壓，具有電池欠壓報警、供電模式可控等功能，可延長電池使用壽命。電路如圖 3． 4所示，單片機(jī)通過 sNOOzE 引腳控制電源的工作模式，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式時，只要將該引腳置為低電平，即可使電源進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)電池欠壓時， LBO 引腳會被拉低，單片機(jī)檢測到以后可以通過網(wǎng)絡(luò)通知管理人員更換電池。 圖 5． 3 終端節(jié)點電源電路 5． 6． 2協(xié)調(diào)器節(jié)點的開關(guān)電源設(shè)計 由于協(xié)調(diào)器節(jié)點功耗比較大，不適合用電池供電，所以它采用工業(yè)現(xiàn)場常用的 lO～ 30v 直流電源。由于協(xié)調(diào)器節(jié)點最終的供電電壓要保持在 3V 左右，為了適應(yīng) 10～ 30V的寬電壓輸入范圍，采用開關(guān)電源加線性穩(wěn)壓的方式實現(xiàn) I)C／ DC轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源選用比較成熟的 ID4063 作為電源轉(zhuǎn)換芯片，然后選用 BMIll7完成 3． 3V 穩(wěn)壓，其電路如圖 5． 4 所示． 10～ 30V 直流電源由 POWER 輸入，通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后得到 V，開關(guān)電源的輸出電壓的計算公式為： VⅢ5+=1． 25(I+R20／ R19)，這里 R20和 R19分別選用 3K和 lK，輸出電壓為 5V，然后通過 BMIll7穩(wěn)壓后。在 V3 3端得到 3． 3V 電源。在電源的輸入端接入了二極管 IN4007，防止電源極性接錯，還串聯(lián)了一個自恢復(fù)保險絲 F1保證本系統(tǒng)負(fù)載異常變大時不會給整個供電系統(tǒng)造成影響．另外，為提高電源抗干擾能力，輸入端并聯(lián)了一個 TVs管 P6KFA7A，有效降低了浪涌電壓的影響． 基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計 23 圖 5． 4 協(xié)調(diào)器節(jié)點電源電路 5． 7傳感器節(jié)點通信模塊設(shè)計 5． 7． 1 無線通信模塊設(shè)計 無線通信模塊主要完成溫度傳感器終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換。在 IEEE 802． 15． 4 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，各大無線芯片制造商陸續(xù)推出了支持該標(biāo)準(zhǔn)的芯片，其中比較典型的有： Freescale 的 MCl3192， Chipcon 的 CC2500， ATMEL的 AT86RF230。這些芯片都具有很高的集成度，外部只需要天線、晶振、去偶電容就可以工作。以上三種芯片的性能相當(dāng)，鑒于 Chipcon 現(xiàn)歸 TI 旗下， CC2500在國內(nèi)應(yīng)用較廣，且供貨充足，本設(shè)計采用它作為無線收發(fā)模塊的 RF芯片。 CC2500通過四線制 SPI接口和 6條信號線與控制器連接，完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的工作，如圖 5． 5所示。在系統(tǒng)設(shè)計時，提供 2種天線方案，一種為偶極子天線，采用 PCB天線，如圖 3． 7所示．另一種為單極子天線，如圖 3． 8所示。這套方案中提供了兩種天線方式，一種為 PCB天線，另外一種是外接的50Q天 線，可以根據(jù)需要通過焊接 C18或 C47 選擇。另外， CC2500在硬件上集成了 IEEE 802． 15． 4 的 MAC層，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計時，將無線收發(fā)模和主板分離，方便使用其他替換模塊，增加了設(shè)計的靈活性。 圖 5． 5 CC2500 與 MCU 的連接 基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計 24 6 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計 6． 1 存取點的軟件設(shè)計 下面的 C程序包含了本平臺的存取點的固件設(shè)計，該編碼從系統(tǒng)初始化開始執(zhí)行，其中存取點和終端設(shè)備的初始化程序是一樣的。 BSP_Init()。 if( Flash_Addr[0] == 0xFF amp。amp。 Flash_Addr[1] == 0xFF amp。amp。 Flash_Addr[2] == 0xFF amp。amp。 Flash_Addr[3] == 0xFF ) { createRandomAddress()。 // set Random device address at initial startup } [0]=Flash_Addr[0]。 [1]=Flash_Addr[1]。