【正文】 [4] 高守瑋，吳燦陽等 .ZigBee 技術(shù)實(shí)踐教程：基于 CC2430/31 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， . [5] 李仲文，段朝玉等 .ZigBee 無線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021. [6] 李仲文，段朝玉等 .ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021.第 28 頁 附錄 1 作品實(shí)物圖 和電路原理圖 無線雙機(jī)通信發(fā)送和接收成功（圖中可以看到發(fā)送和接收數(shù)據(jù)一致）。它按高度省電要求設(shè)計(jì)，因此低功耗和較低數(shù)據(jù)傳輸率意味著不會(huì)和 Wi Fi 等其它無線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，而是作為傳感路網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的性價(jià)比較高的方案。 ZigBee 是一個(gè)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)、建筑自動(dòng)化等應(yīng)用的短距離無線技術(shù)規(guī)范。成本也越來越低，因此經(jīng)濟(jì)效益很好。系統(tǒng)不僅有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功能強(qiáng)大，電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)而且實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)空間的自由化，前景相當(dāng)?shù)睦硐搿? 第 26 頁 結(jié)論 系統(tǒng)在傳輸距離和傳輸信號(hào)穩(wěn)定上，實(shí)現(xiàn)搶答器的所有功能，充分驗(yàn)證了項(xiàng)目的可行性。如果要提高距離就必須提高發(fā)射功率。 第 傳輸距離測(cè)試 通過兩個(gè)設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊程序?qū)崿F(xiàn)無線傳輸距離的測(cè)試。 通過 USB 接口直接連接到你的電腦，再連到含 CC2430/CC2431 的 Zigbee 終端 。 DTD243A_Demo 板上集成了 CC2430/CC2431 芯片的仿真器。 如下圖所示： 第 24 頁 圖 DTD243A 測(cè)試接口 第 集成開發(fā)環(huán)境與 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試主要 采用 IAR for MCS51 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行在線調(diào)試。 當(dāng)采用開發(fā)板上的電源給 DTD243A 模塊供電時(shí)，將 JP5 的 Pin2 和 Pin3 通過短路塊短接。 圖 USB 虛擬 RS232 接口 . DTD243A 測(cè)試接口 DTD243A 開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè) DTD243A 模塊測(cè)試區(qū)，模塊可以直接插在測(cè)試座上。 如果需要使用 DTD243A 的串口，用戶也可以通過 JP6 插座連接外部串口。 注意：這兩種供電方案不能同時(shí)使用！??！ . USB 虛擬 RS232 接口 雖然 RS232 接口是一種常用的用于同 PC 機(jī)或其它設(shè)備通信的串行接口，但是現(xiàn)在的電腦已經(jīng)逐漸淘汰了 COM 口，尤其是筆記本電腦已經(jīng)不配串行口了，為了調(diào)試方便，在這個(gè)開發(fā)板上集成了 USB 口模擬串口的電路 USB210，具體說明可以參考西安達(dá)泰電子 USB210 模塊的使用說明。 第 22 頁 圖 ： ZigBee 調(diào)試模塊 . 電源接口電路 圖 電源接口電路圖 在開發(fā)板上提供了兩種供電方案： ◎ DTD243A 開發(fā)系統(tǒng)提供了一個(gè)直流電源插座 JP1（內(nèi)正外負(fù)），使用直流電源或者外接電池（ 5~12V）為開發(fā)系統(tǒng)供電。 在線編程器根據(jù) TI 公司提供的參考設(shè)計(jì)選用 silicon labs 公司的 C8051F320 單片機(jī)實(shí) 現(xiàn)， LED 用于電源、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度、信號(hào)輸出等工作狀態(tài)的顯示。電路實(shí)物圖如圖 所示。 開始 數(shù)據(jù)是否正確 通信燈保持滅 返回 Y N 通信燈亮滅 1次 將接收數(shù)據(jù)送顯示 初始化 提取接收數(shù)據(jù)包 第 20 頁 圖 從機(jī)模塊程序框圖 第 程序代碼 見附錄 3 第 21 頁 第 5章 試驗(yàn)與分析 第 硬件平臺(tái) . ZigBee 無線模塊 本設(shè)計(jì)開發(fā)的射頻模塊主要由 CC24巴倫電路和天線等組成。 第 18 頁 第 4章 軟件設(shè)計(jì) 第 主程序框圖 主程序框圖如圖 所示 ,程序通過 的高低電平來判斷是作為發(fā)送程序或者接收程序。 由圖中可以看出該模塊是 低 電平復(fù)位，供電電壓 公司經(jīng)典的低功耗產(chǎn)品。 第 節(jié)點(diǎn)模塊電路（ CC2430） 第 17 頁 GND1GND2DC/3DD/45SO/6SI/7CLK/8CSN/91011RST141516171819202122VDD23GND241312U3DTD243AGNDRF123456789101112CN312 HEADER123456789101112CN412 HEADERD243ARST1 2 3JP5+R3610kC102PB1P_Reset+C10110210KR3GND 圖 節(jié)點(diǎn)模塊電路 節(jié)點(diǎn)模塊主要由： 主芯片、 電源、地和復(fù)位電路組成。 操作溫 度 0 到 70 度滿足日常應(yīng)用。具體的電路如圖 所示。 軟件通過延時(shí)再判斷的方法第 16 頁 實(shí)現(xiàn)按鍵消抖設(shè)計(jì)，硬件通 過電容緩沖消抖動(dòng)設(shè)計(jì)， 具體的按鍵電路如下圖所示。 第 指示燈電路 系統(tǒng)為了讓實(shí)驗(yàn)的效果更明顯接了電源指示燈和通信指示燈，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信即發(fā)送或接收信號(hào)時(shí)紅綠指示燈會(huì)交替閃爍，正常情況下，綠燈亮，紅燈滅，如圖 所示。 操作溫度 0~125 度，儲(chǔ)存溫度 65~150 度 。 采用 LM1117— 的原因在于它有以下優(yōu)勢(shì)： 輸入范圍大于 ,可以穩(wěn)定輸出 。 第 15 頁 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 硬件電路和實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的主要芯片 CC2430 為低功耗芯片所需的供電電源僅需 (~)，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 LM1117 的 5V轉(zhuǎn) ，如圖 所示。在混合網(wǎng)中，路由器和中繼器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而無線傳感器節(jié)點(diǎn)則在他們周圍呈星形分布。這種多次中繼系統(tǒng)比星形網(wǎng)的傳輸距離遠(yuǎn)得多，但功耗更大，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)必須一直“監(jiān)聽”網(wǎng)絡(luò)中某些路徑上的信息和變化。在各種 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之中，星形網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點(diǎn)與基站間傳輸距離有限，通常 ISM 頻段的傳輸距離為 10M~30M。除了向各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與因特網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。 第 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星形網(wǎng)：基本的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)單跳（ single_hop）系統(tǒng) ,網(wǎng)絡(luò)中所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信。結(jié)合了TI/Chipcon 業(yè)界領(lǐng)先的 ZigBee 協(xié)議棧之后， CC2430 被認(rèn)為是市面上最具競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee 解決方案。 CC2430 不僅擁有卓越的射頻性能，包括超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲和抗干擾能力而且擁有強(qiáng)大的 8 位、單周期 8051 控制核心。系統(tǒng)采用的是 CC2430F128，也就是說芯片擁有128KB 的閃存。圖 為系統(tǒng)的原理框圖。各個(gè)節(jié)點(diǎn)識(shí)別按鍵狀態(tài)，如果按鍵有變化將立即和協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器將第一個(gè)接收到的節(jié)點(diǎn)號(hào)碼顯示出來。 軟件方面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)和抗干擾措施設(shè)計(jì)，按鍵設(shè)計(jì)和顯示程序設(shè)計(jì)等。其中基礎(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)包括 ZigBee 無線發(fā)射 /接收模塊的設(shè)計(jì)和 ZigBee 芯片 CC2430 低功耗的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的電源電路，基本的按鍵電路，復(fù)位電路和顯示電路的設(shè)計(jì)。 第 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 系統(tǒng)是基于 ZigBee 技術(shù)一般無線傳輸距離 10M 到 100M 和低功耗的特點(diǎn)及多元化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一款便攜式的多路無線搶答器。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電源電路、按鍵電路和復(fù)位電路。軟件方面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)和抗干擾措施設(shè)計(jì)，按鍵設(shè)計(jì)和顯示程序設(shè)計(jì)等。 第 12 頁 第 2章 系統(tǒng)原理分析與整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)是基于 ZigBee 技術(shù)，一般無線傳輸距離 10M 到 100M 和低功耗的特點(diǎn)及多元化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一款便攜式的多路無 線搶答器。 ZigBee 相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。 附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部 功能和所有特征 全功能設(shè)備： 可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的 FFD 或是精簡(jiǎn)功能裝置（ RFD）連結(jié)， FFD 具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型： 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 ：包括所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是 3 種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等要求低延遲等待接入的應(yīng)用一般采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而第 11 頁 其 它一些應(yīng)用，如周邊安全等可能要求大面積網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些不可或缺的任務(wù)。 2 1 0~20 變量 2 幀控制 序列號(hào) 地址信息 凈荷 幀校驗(yàn)系列 圖 ：幀格式 . 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層。 這就是 MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^程。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，而數(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(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過了 CRC 校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀。 子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和 MAC 命令幀等 4 種幀類型。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適用于不同的場(chǎng)合，如 868 / 915MHz 物理層的低速率換取了較好的靈敏度（ 85dbm/ ， 92dbm/ 868， 915MHz）和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)；而 物理層的較高速率適用于較高的數(shù)據(jù)吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合。然后采用最小移位鍵控方式 MSKI 對(duì)這個(gè)連續(xù)的偽噪音碼片序列進(jìn)行調(diào)制，即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控（ O QPSK）方式調(diào)制。 物理層的較高速率主要?dú)w因于基于 DSSS 方法（ 16 個(gè)狀態(tài)）的 準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。這兩種物理層都采用直接序列擴(kuò)頻（ DSSS）技術(shù)，降低了數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的幀結(jié)構(gòu)，以便低作業(yè)周期、低功耗地運(yùn)作。 ZigBee 聯(lián)盟制定了 MAC 層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 第 8 頁 圖 ： ZigBee 協(xié)議棧 ZigBee 增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的一致化，利于產(chǎn)品的互連互通 。 . ZigBee 與 的聯(lián)系 人們常會(huì)把 ZigBee 和 等同起來 ，其實(shí)兩者之間還是有所區(qū)別的： ① ZigBee 完整、充分地利用了 定義的功能強(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)； ② ZigBee 增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件； ③ ZigBee 基于 射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí) ZigBee 聯(lián)盟通過與 IEEE 緊密工作來確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案； ④ 工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層（ PHY）和媒體訪問控制（ MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。 ⑤ 可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。因此 ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。低成本對(duì)于 ZigBee 也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。據(jù)估算， ZigBee 設(shè)備僅靠?jī)晒?jié) 5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵 莫及的。要考慮的核心問題是低功耗和低價(jià)格的設(shè)計(jì)，這就要求該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供低帶寬、低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用。此外，簡(jiǎn)單方便、可以隨意使 用的無線裝置大量涌現(xiàn)，需要布置大量的無線接入點(diǎn)，而低廉的價(jià)格將起著關(guān)鍵作用。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的要求與民用場(chǎng)合有很大區(qū)別。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、 IP 服務(wù)提供商、消費(fèi)類電子廠商及 OEM 商等，例如 Honeywell、 Eaton 和 Invensys MeteringSystems 等工業(yè)控制和家用自動(dòng)化公司，甚至還有像 Mattel 之類的玩具公司。 ZigBee 聯(lián)盟成立于 2021 年 8 月。 第 ZigBee 的技術(shù)內(nèi)容及特點(diǎn) ZigBee 是最新確定的 商業(yè)名稱，在以前曾被發(fā)起者以“ HomeRF lite”、“ Firefly”和“ RFEasyLink”等命名。 幾種常用無線傳輸方式的主要性能比較見表 1 表 1：無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)比較表 第 5 頁 圖 ：短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) ZigBee 無線技術(shù)適合組建 WPAN 網(wǎng)絡(luò)，就 是無線個(gè)人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸是非常合適的。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。它同樣使用 波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。 IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在 2 臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。目前，支持它的軟硬 件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備（如PDA、手機(jī)）上被