【正文】 總的來說，在整個設(shè)計過程中通過對軟硬件進行綜合考慮，合理搭配，使得設(shè)備不僅性能優(yōu)、可靠性高，還具有在使用過程中的靈活性好，以及調(diào)試維護工作量小和經(jīng)濟性好等特點。 二、 設(shè)備調(diào)試 各模塊設(shè)計完成之后，硬件調(diào)試是必不可少的。解決思路采用先進、可靠、集成、的開發(fā)板，以信息數(shù)字化、硬件平臺軟件化、信息共享標準化為基本要求，利用微機原理及接口技術(shù) ，進行本次畢業(yè)設(shè)計。 （ 3） 系統(tǒng)低功耗：如何降低無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功耗一直以來是業(yè)界認為的熱點。 由于時間上的限制，本文在設(shè)計與實現(xiàn)基于 CC2530 技術(shù)的數(shù)據(jù)無線傳輸模塊時仍然存在很多不盡完善的地方，下面列出需要更深一步研究的幾個問題： （ 1） 安全問題：安全問題一直是短距離無線傳感器網(wǎng)絡的一個研究熱點，由于 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 本身的電源、通信以及處理能力等方面的限制，給短距離無線網(wǎng)絡的安全設(shè)計機制帶來了許多 新的挑戰(zhàn)。在對協(xié)議棧進行研究時，也沒有深究某些功能函數(shù)的具體代碼實現(xiàn)方法等等。由于時間和能力有限，本文并未對算法加以改進，暫時不能更好的保障數(shù)據(jù)包的安全性和數(shù)據(jù)的完整性；也沒能在使網(wǎng)絡盡量擴展的同時盡量降低功耗，而不影響現(xiàn)有的網(wǎng)絡建立的功能 。而與其相關(guān)的組網(wǎng)方案，作為其中的核心技術(shù)，不僅聯(lián)系眾多、知識需求量大、邏輯思維要求高，更是一個需要花費大量心血也值得為之付諸努力不斷深入探討的研究方向。同時，為了保證模塊能夠準確、安全穩(wěn)定的運行，模塊的抗干擾測試也是必須的。 對各模塊軟硬件調(diào)試結(jié)束后，還需要對它的各種性能進行測試，以保證設(shè)備能夠在無線工作中安全正常的運行。特別是在信號不正常的情況下，可以循著信號的流向逐步的檢查波形狀況，這樣能較快的發(fā)現(xiàn)問題點。如有異常，馬上斷掉電源，將 故障排除后才能再次通電。首先將直流穩(wěn)壓電源調(diào)到要求值，然后再接入電路。這些是對硬件的直觀觀察。 無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊調(diào)試 由于設(shè)備的布線較密、線條較細，特別是芯片和各元器件的引腳密集，因此在檢查之初先不急于通電，而是仔細檢查線路、器件安裝以及電源情況。因此，在上位機系統(tǒng)中需去除干擾信號，獲得有效的目標信號。射 頻電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供 RF 屏蔽達到有效抗干擾的目的； CC2530芯片底部應該接地，為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將芯片底部和地層相連；盡可能地減少串擾，減少分布參數(shù)的影響，所有的元器件要盡可能緊密地分布在 CC2530 的周圍，并使用較小封裝。 （ 2）無線射頻收發(fā)模塊抗干擾分析 CC2530 射頻電路工作 ～ 高頻率工作頻段，抗干擾設(shè)計直接關(guān)系到射頻部分的性能和整個傳感器節(jié)點的運轉(zhuǎn)情況。對于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因為它直接影響到設(shè)備的性能。 無線傳輸抗干擾分析 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊想要設(shè)置配置好，達到理想的傳輸狀態(tài)，必須要進行抗干擾分析。（程序見 附錄 5） 基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 25 6 無線模塊抗干擾分析和硬件 調(diào)試 整個無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母髂K設(shè)計完成之后，需要對各模塊進行抗干擾分析。（程序見 附錄 4） （ 2） 接 收 部分 首先修改模塊的地址 RECEIVE_ADDR，分別設(shè)定地址為 0x1515， 0x1516， 0x1517，然后分別把程序下載到每一個模塊中并運行。發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)為 pTxDa ta[APP_PAYLOAD_LENGTH]，數(shù)據(jù)長度通過修改 APP_PAYLOAD_LENGTH值來改變，數(shù)據(jù)值通過修改 pTxData 數(shù)組里的數(shù)據(jù)實現(xiàn)，發(fā)送時間間隔通過改變延時時間來實現(xiàn)。（程 序見附錄 3） CC2530 一對多 (多對一 )無線數(shù)據(jù)傳輸 CC2530 一對多 (多對一 )無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚓帉懛譃榘l(fā)送和接 收 兩個部分。 模塊每發(fā)送一個數(shù)據(jù)，黃色 LED 顯示狀態(tài)改變一次。 （ 1） 發(fā)送部分 模塊上電每隔一段時間向地址為 RECEIVE_ADDR = 0x1515的模塊發(fā)送數(shù)據(jù) pTxDa ta[APP_PAYLOAD_LENGTH]，數(shù)據(jù)長度通過 修改 APP_PAYLOAD_LENGTH 值來改變，數(shù)據(jù)值通過修改 pTxData 數(shù)組里的數(shù)據(jù)實現(xiàn)，發(fā)送時間間隔通過改變延時時間來實現(xiàn)。 圖 21 程序流程 開始 初始化電路 開啟接收中斷 軟件初始化 外圍模塊采集信息 采集到的是外部信息 發(fā)送數(shù)據(jù)包 點亮第一個 LED 是否成功發(fā)送 結(jié)束 A/D 轉(zhuǎn)換 熄滅第一個燈 N Y N Y 無線截獲信息 是否數(shù)字化 N Y 配置電路電源參數(shù) 初始化 LED 顯示，用于指示數(shù)據(jù)的發(fā)送 初始化采集模擬量 初始化通信頻率 設(shè)置發(fā)送端與接收端地址 發(fā)送數(shù)據(jù)包 是否成功發(fā)送 N Y 基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 24 設(shè)計中的系統(tǒng)軟件以系統(tǒng)各功能節(jié)點為基礎(chǔ)，設(shè)計了軟件系統(tǒng)包括基于 ZigBee 系統(tǒng)組網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線通信以及數(shù)據(jù)上傳四個模塊，完成了野外大田環(huán)境參數(shù)從采集 到監(jiān)測中心的整個過程，后面的小節(jié)將對該系統(tǒng)的終端節(jié)點和匯聚節(jié)點兩個模塊的設(shè)計予以詳細的描 述， 由于模塊完成的功能多，每個功能都離不開無線模塊的接受數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)，那么要提高模塊的傳輸速率，就要寫出最簡單最實效的程序。 基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 23 5 相關(guān)仿真程序編寫 數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)不僅需要各個功能節(jié)點等硬件設(shè)備，還要有對應的軟件系統(tǒng)將各個功能節(jié)點硬件設(shè)備串聯(lián)在一起，從而完成對 采集到的數(shù)據(jù)安全發(fā)送。無線通信模塊根據(jù) ZigBee 網(wǎng)絡的特性，主要利用 無線通信協(xié)議的物理層和 MAC 層的技術(shù)。 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)成 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊模塊主要由各種類型的傳感器和 AD/DC 轉(zhuǎn)換等子模塊構(gòu)成，其主要功能是利用傳感器將各種被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，然后將傳感器輸出的信號進行放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換等。命令幀的具體功能由幀的負載數(shù)據(jù)表示。其中， MAC 命令幀只是在格式上和其他類型的幀的幀控制字段的幀類型位有所不同。 MAC 子層負載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。 （ 3） MAC 層幀結(jié)構(gòu) MAC 層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標是用最簡單 方法實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。 圖 20 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 模式三： 對等數(shù)據(jù)傳送 在對等的 PAN 中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其它器件通信。在非信標使能方式中，終端器件利用無槽CSMA/CA 將 MAC 命令請求控制信息給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，也是利用無槽 CSMA/CA 方式將資料傳出。 圖 19 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 22 模式二： 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 在信標使能方式中，協(xié)調(diào)器會利用信標中的字段來告知有資料要傳 送。 模式一： 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 在信標和非信標模式下，主要區(qū)別是器件是否先要從協(xié)調(diào)器獲得信標，接著利用帶時槽的 CSMA/CA 來傳送資料。 （ 2） 數(shù)據(jù)傳輸模式 LRWPAN 網(wǎng)絡中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)出、對等數(shù)據(jù)傳送。非競爭階段由協(xié)調(diào)者指定的設(shè)備發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)包。 超幀中規(guī)定非競爭時段必須跟在競爭時段后面。每個 GTS 中的時槽都指定分配給了時槽申請設(shè)備，因而不需要競爭信道。每個 GTS由若干個時槽組成，時槽數(shù)目在 設(shè)備申請 GTS 時指定。 在超幀的競爭訪問時段， IEEE 網(wǎng)絡設(shè)備使用帶時槽的 CSMACA 訪問機制，并且任何通信都必須在競爭訪問時段結(jié)束前完成。而在超幀活躍期間，整個事 件過程可以劃分為三個階段：信標幀發(fā)送時段、競爭訪問時段（ CAP）和非競爭訪問時段（ CEP）。 超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個部分。正如字面意思所述，信標幀在整個超幀結(jié)構(gòu)中的地位就好比燈塔的導航作用一樣，不僅界定了超幀的起始以用來設(shè)定固定分配時隙周期的有無以及其長度，換言之，信標幀決定了超幀的構(gòu)架。那么超幀結(jié)構(gòu)如圖18所示 。周期性進入休眠期關(guān)閉信道接入，則節(jié)省了網(wǎng)絡的能耗。 和物理層類似， MAC 層也包括一個管理實體（ MLME）， MAC 層管理實體提供可以喚醒 MAC 層管理服務的服務接口（ MLMESAP），同時也維護一個與MAC 層相關(guān)的管理對象數(shù)據(jù)庫（ MIB）。當數(shù)據(jù)包的長度類型為 5 字節(jié)或大于 8 字節(jié)時，那么物理層服務數(shù)據(jù)單元（ PSDU）就會攜帶著 MAC 層的幀信息（即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 媒體訪問控制層（ MAC）規(guī)范 MAC 層提供兩種服務： MAC 層數(shù)據(jù)服務和 MAC 層管理服務。 表 4 PPDU 格式 字 節(jié) 1 1 可變 前同步碼 （ preamble） 幀定界符 （ SFD） 幀長度 (7 bit) 保留 (1 bit) 物理層數(shù)據(jù) (PSDU) 同步頭 (SHR) 物理層報頭 (PHR) 物理層凈荷 (PHY payload) 同步報頭由前同步碼和幀定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步。 （ 4） PPDU 格式 PPDU 報文數(shù)據(jù)是用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭、含有幀長度信息的物理層報頭以及承載有 MAC 幀數(shù)據(jù)的凈荷組成。每 片的形狀如同半個正弦波，交替在同相 (I)信道和正基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 20 交相位 (Q)信道傳送。 （ 3） IEEE 的調(diào)制方式 物理層將數(shù)據(jù)每字節(jié)的低四位和高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號，每個數(shù)據(jù)符號又被映射成 32 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片。 物理層主要完成：激活 /休眠無線收發(fā)設(shè)備，對當前頻道進行能量檢測， 鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（ CSMA—CA）進行空閑頻道評估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。 一個簡單的 PHY 模型圖如圖 17 所示 。不同的頻段所對應的寬度不同， 868 MHz 頻段定義 了 1 個信道（ 0 號信道）； 915 MHz 定義了 10 個信道（ 1～ 10 號信道）2400 MHz 定義了 16 個信道（ 11～ 26 信道）。 915 MHz、 868 MHZ 分別為 40 kbit/s 和 20 kbit/s。 （ 1） 無線信道的分配 IEEE 規(guī)范的物理層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)： 868MHz（歐洲）、915 北美）和 2400 MHz（全球范圍）。 物理層（ PHY） 物理層定義了物理無線信道和與 MAC 層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 19 層管理服務。 ZigBee 直接使用了這兩層，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡層（ NWK）和應用層（ APL）架構(gòu)。很多研究機構(gòu)把它作為 傳感器網(wǎng)絡的通信標準。旨在為個人或者家庭種不同設(shè)備之間的低速率無線互聯(lián)提供統(tǒng)一標準。 圖 16 硬件總體設(shè)計電路圖 4 Zigbee 技術(shù)概況和網(wǎng)路配置 IEEE 是 IEEE 針對低速率無線個人局域網(wǎng)指定的無線通信標準?；?CC2530 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路包含了 CC2530 主芯片、電源轉(zhuǎn)變模塊電路、濾波模塊電路、外接模塊電路、天線模 塊電路、仿真跳線模塊電路、晶振模塊電路、LED 模塊電路、復位電路、 PC 串口模塊電路以及 P P2 接口。天線輸入阻抗和饋線的特性阻 抗不一致時，產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成的磁波，其相鄰電壓的最大值和最小值之比是電壓駐波比，它是檢驗饋線傳輸效率的依據(jù)，電壓駐波比小于 ，在工作頻點的電壓駐波比小于 ，電壓駐波比過大，將縮短通信距離，而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分，容易燒壞功放管，影響通信系統(tǒng)正常工作 。增益是天線的主要指標之一，它是方向系數(shù)與效率的乘積，是天線輻射或接收電波大小的表現(xiàn)。具體說有兩個方面，第一選擇天線類型；第二選擇天線的電氣性能。 在為基于 CC2530 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇天線時，應注意到性能的好壞。 圖 15 為 RF 射頻 天線安裝的電路圖。 RF 天線電路設(shè)計 天線作為無線通信不可缺少的一部分，其基本功能是輻射和接收無線電波。 圖 14 LED 指示燈模塊電路圖 LED 模塊可以直觀的反映模塊工作狀態(tài)，是無線數(shù)據(jù)傳輸模塊不可缺少的一部分。 LED 指示燈模塊設(shè)計 在數(shù)據(jù)傳輸指令中，正確的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的工作正常是否是通過讀 LED 指示燈的通斷狀態(tài)實現(xiàn)的，為了防止模塊假狀態(tài)，使用光電器件將 CC2530 的輸入、輸出隔離開。 CLK 0809工作時鐘 。 OE輸出允許信號。 ST啟動過程中， ALE信號與其保持一致。 圖 13 A/D轉(zhuǎn)換電路 ALE設(shè)置為高電平，對地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后選通對應通道，被選中通道的模擬量進入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換 ， ST為啟動轉(zhuǎn)換信號。采用模擬信號輸出的傳感器一般采用模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC)進行信號采集；采用的數(shù) 字輸出方式的傳感器主要包括脈寬調(diào)制信號輸出、壓頻轉(zhuǎn)換信號輸出以及串行基于 CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計 16 數(shù)字信號輸出等。 圖 12 I/V轉(zhuǎn)換電路 在設(shè)計過程中要考慮信號的輸入、輸出特性，接觸時對被測物體的影響，防滴滑、