【正文】 溫度端點 EP 負責接收和處理溫度傳感器終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，Temperature 包括啟動服務(wù)。6．2．2 ZigBee 協(xié)議應(yīng)用對象設(shè)計MpZBee 為 ZigBee 應(yīng)用程序提供一個接口函數(shù) ZigbeeTasks()，處理zigBee 協(xié)議棧的應(yīng)用支持子層到物理層的任務(wù)。currentPrimitive)；／／協(xié)議棧任務(wù)switch(currentPrimitive){ ∥包含應(yīng)用層需要處理的通信原語default：currentPrimitive = NO_PRIMITIVE；break；}ModBusAPP()；／／Modbus 服務(wù)和系統(tǒng)需要完成的其他應(yīng)用程序}}主程序啟動后首先完成系統(tǒng)和協(xié)議棧的初始化任務(wù)，之后進入無限循環(huán)。6．2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計6．2．1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件總體設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點在無線溫度傳感器子系統(tǒng)中的作用有：組織 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、管理溫度傳感器終端節(jié)點的數(shù)據(jù)、向網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)溫度傳感器終端節(jié)點的數(shù)據(jù)。SMPL_Init(sCB)。//Transmit splash screen and work init notificationTXString( (char*)splash, sizeof splash)。lAddr)。[3]=Flash_Addr[3]。[1]=Flash_Addr[1]。Flash_Addr[3] == 0xFF ){createRandomAddress()。Flash_Addr[2] == 0xFF amp。Flash_Addr[1] == 0xFF amp。if( Flash_Addr[0] == 0xFF amp。圖 5．5 CC2500 與 MCU 的連接基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計246 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。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。以上三種芯片的性能相當，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。在 IEEE 802．15．4 標準發(fā)布后，各大無線芯片制造商陸續(xù)推出了支持該標準基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計23的芯片，其中比較典型的有：Freescale 的 MCl3192，Chipcon 的CC2500，ATMEL 的 AT86RF230。在 V3 3 端得到 3．3V 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。當電池欠壓時，LBO 引腳會被拉低，單片機檢測到以后可以通過網(wǎng)絡(luò)通知管理人員更換電池。TPs60210 是一款低功耗的電源管理芯片，當輸入電壓降至 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。分別連接單片機的中斷引腳 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；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。2 路開關(guān)量輸出POP02 通過光偶隔離后驅(qū)動外部設(shè)備，如圖 5．2 所示。 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。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，單片機在上電時。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。此外，為了能為事件記錄提供準確的時間，配置了實時時鐘功能，芯片選用 DSl302，連接到單片機的 P4．O～P4．2 腳。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。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。RE： 該選項顯示接收數(shù)據(jù)是否通過距離擴展器。Battery（電池）：這是測量的給 MSP430 供電的電池的電壓值。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 – 以攝氏溫標輸出所有溫度F – 以華氏溫標輸出所有溫度數(shù)據(jù)格式顯示選項 2： V – 以擴展的冗余模式顯示所有數(shù)據(jù) 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)標識符，這是每一個終端設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)后所給定的。一旦連接到存取點，所有的燈會暫時熄滅，還原為缺省值，然后當正常工作時，綠燈會一直保持發(fā)光。當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行。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；綠燈亮表明正在進行對一個網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接收?；?eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計195．2．1 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，以傳送到計算機中。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。3：MSP430 系列單片機具有高度整合，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。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。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。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?；?eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計18ZDO 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 主要負責：初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)規(guī)范。ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)，描述了功能的基本分類，這些功能在應(yīng)用對象設(shè)備范圍和 APS 間提供一個接口。APSDE 為二個或更多位于同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的 PDUs 傳輸提供數(shù)據(jù)發(fā)射服務(wù)。應(yīng)用支持子層為網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層之間提供一個接口。發(fā)起和／或響應(yīng)綁定請求并在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立一個安全關(guān)系。ZDO 的任務(wù)包括在網(wǎng)絡(luò)層定義設(shè)備的功能。每層提供它們相應(yīng)的服務(wù)和能力。4．4 ZigBee 應(yīng)用層ZigBee 應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層 (APS)、 ．ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對象。NLME 所支持的 NLME—SAP 接口原語包括網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)形成、允許設(shè)備連接、路由器初始化、設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)的連接等。Confirm：確認原語由第 J 層向第 11 用戶發(fā)送，用來傳遞一個或多個前面服務(wù)請求原語的執(zhí)行結(jié)果。該事件可能與一個遙遠的服務(wù)請求有關(guān)，或者可能是由一個 J 層的內(nèi)部事件引起的。原語通常分為如下 4 種類型(如下原語環(huán)境設(shè)置為一個具有 1 個用戶的網(wǎng)絡(luò)中，兩個對等用戶及其與 J 層或子層對等協(xié)議實體建立連接的服務(wù)原語)：Request：請求原語從第 1l 用戶發(fā)送到它的第 J 層，請求服務(wù)開始。一種服務(wù)可能有一個或多個相關(guān)的原語，這些原語構(gòu)成了與具體服務(wù)相關(guān)的執(zhí)行命令?；?eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計17它的定義與其他任何接口的實現(xiàn)無關(guān)。服務(wù)原語通過提供一種特定的服務(wù)來傳輸必需的信息。各項服務(wù)通過服務(wù)原語來實現(xiàn)。位：01 2—5 6—7 8 9 10—15幀類型 協(xié)議版本 發(fā)現(xiàn)路由 預(yù)留 安全 預(yù)留圖 幀控制域的格式4．3．3 網(wǎng)絡(luò)層功能介紹ZigBee 設(shè)備在工作時，各種不同的任務(wù)在不同的層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)，完成所要執(zhí)行的任務(wù)。幀控制域是 16 位長，包含定義幀類型的信息、尋址和序列域和其它控制標識的信息，其格式如圖 4．10 所示，可以看到幀控制域包括幀類型、協(xié)議版本、發(fā)現(xiàn)路由、安全和保留位。圖 4．9 表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域，但網(wǎng)絡(luò)層的幀的幀頭域，還是按照固定的順序出現(xiàn)。NLDE 應(yīng)能夠送 NPDU 到一個適當?shù)难b置，此設(shè)備是通信的最終目標或是通信鏈路下一步的最后目的；4．3．2 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如圖 4．9 所示。在兩個或多個設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個內(nèi)部局域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供如下服務(wù)：配置一個新設(shè)備：為操作按照要求充分布局協(xié)議棧的能力。網(wǎng)絡(luò)層通過 MCPS—SAP 和 MLME—SAP 接口為 MAC 層提供接口，通過 NLDESAP 與 NLME—SAP 接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDESAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點(NLMESAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。4．3．1 網(wǎng)絡(luò)層概況ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。NWK 支持的網(wǎng)絡(luò)拓撲有星狀、樹(串)狀和網(wǎng)格狀。一個基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計15全功能設(shè)備可與多個 RFD 設(shè)備或多個其他 FFD 設(shè)備通信，而一個減功能設(shè)備只能與一個 FFD 通信。三種設(shè)備根據(jù)功能完整性分為全功能(FFD)和減功能(RFD)設(shè)備。ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備，ZigBee 網(wǎng)格或樹狀網(wǎng)絡(luò)可以有多個 ZigBee 路由器。ZigBee 規(guī)范定義了三種類型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求。應(yīng)用層可以通過 ZigBee設(shè)備對象(ZDO)對網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進行配置和訪問。APS 使用網(wǎng)絡(luò)層(NWK)提供的服務(wù)。所有端點都使用應(yīng)用支持子層(APS)提供的服務(wù)。端點 0 用于整個 ZigBee 設(shè)備的配置和管理，應(yīng)用程序可以通過端點 0 與 ZigBee 協(xié)議棧的其他層通信，從而實現(xiàn)對這些層的初始化和配置，附屬在端點 0 的對象被稱為 ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)；端點255 用于向所有端點的廣播。每個接口都能接收(用于輸入)或發(fā)送(用于輸出)簇格式的數(shù)據(jù)。從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點到端點的連接(例如，一個帶開關(guān)組件的設(shè)備與帶一個或多個燈組件的遠端設(shè)備進行通信，目的是將這些燈點亮)。4．3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層ZigBee 協(xié)議棧是在 IEEE802．15．4 標準基礎(chǔ)上建立的，我們知道IEEE802．15．4 僅定義了協(xié)議的 MAC 和 PHY 層。這是一種時隙化的載波偵聽／沖突避免(CSMA／CA)信道接入算法。這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別是基于中心控制的星狀網(wǎng)絡(luò)和基于對等操作的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認；數(shù)據(jù)幀和 MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要，并且已經(jīng)通過了 CRC 檢驗，接收方將立即發(fā)送確認幀，若發(fā)送方在一定時間內(nèi)收不到確認幀，將自動重傳該幀，這就是 MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^程。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee 設(shè)備間與 MAC 子層功能實體間控制信息的收發(fā)。圖 MAC 子層參考模型