【正文】 gbee 的響應(yīng)速度較快 ,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。 3. 模塊功耗低 ,通訊速率低。 4. 傳輸距離可擴(kuò)展。 Zigbee 模塊工作于 全球免費(fèi)頻段 ,故只需要先期的模塊費(fèi)用 ,無需支付持續(xù)使用費(fèi)用 .若采用豐寶代理的 DIGI 公司的 Zigbee 模塊 ,則可無需再次開發(fā) ,通過 TTL的 RX,TX便可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送接收 ,大量減少了產(chǎn)品開發(fā)周期 ,獲得了更好的市場(chǎng)先機(jī) . 6. 可靠性好 ,安全性高。 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 物理層 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測(cè)信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。在協(xié)調(diào)器的 MAC 層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持 Zigbee 設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用 CSMA/CA 信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配（ GTS）；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體提供可靠連接。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以組成星型、簇樹型或 MESH 型網(wǎng)絡(luò)。 應(yīng)用層 應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（ APS）、 Zigbee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）和應(yīng)用框架（ AF）應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。 AF 應(yīng)用框架是應(yīng)用層與 APS 層的接口。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和 網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個(gè) End Device 節(jié)點(diǎn)只能和 Coordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。 這種拓?fù)湫问降娜秉c(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑。實(shí)現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰褂?ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，但是這需要開發(fā)者在應(yīng)用層作更多的工作，包括自己處理信息的轉(zhuǎn)發(fā)。 Coordinator 連接一系列的 Router 和 End Device,他的子節(jié)點(diǎn)的 Router 也可以連接一系列的 Router 和 End 。 圖 樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 樹形拓?fù)渲械耐ㄓ嵰?guī)則：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊。這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道。 Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Mesh拓?fù)?(網(wǎng)狀拓?fù)?)包含一個(gè) Coordinator 和一系列的 Router 和 End Device。但是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。 網(wǎng)狀拓?fù)涞氖疽鈭D如 圖 所示 。需要注意的是，以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。 IEEE 規(guī)范 作為低速無線個(gè)域網(wǎng)（ LR—WPAN）技術(shù)， Zigbee 協(xié)議棧的物理、 MAC 層即是 協(xié)議。 表 是 的主要協(xié)議框架 。物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機(jī)、能量檢測(cè)（ ED）、鏈路質(zhì)量指示（ LQI）、空閑信道評(píng)估（ CCA）、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。在這三個(gè)頻段上物理層一共劃分了 27 個(gè)信道，信道編號(hào) k 為 0~26。 27個(gè)信道的中心頻率和對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)定義 如公式（ ）所示。在物理層中，包含一個(gè)物理層管理實(shí)體（ PLME），該尸體通過點(diǎn)用物理層的管理功能函數(shù)，為物理層管理服務(wù)提供其接 口，同時(shí)，還負(fù)責(zé)維護(hù)由物理層所管理的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含有物理層個(gè)域網(wǎng)絡(luò)的基本信息。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 圖 物理層接口結(jié)構(gòu) MAC 層規(guī)范 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）。前者保證 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ) MAC 子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信 息的數(shù)據(jù)庫。 MAC 層參考模型如 圖 所示。 (1)MAC 幀頭 MHR，它包含幀控制域、序列號(hào)和地址信息。凈載荷子域不包含在應(yīng)答信號(hào)幀內(nèi)。 表 MAC 幀格式 2byte 1byte 0/2/8byte 0/2byte 0/2/8byte 0/2/8byte 可變 2/byte 幀控制 序列號(hào) 目的 PAN標(biāo)示符 目的地址 源 PAN 標(biāo)示符 源地址 幀凈載荷 FCS 地址域 MHR MAC凈載荷 MFR 無線溫度采集系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置由單個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與 N 個(gè)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的所有終端溫度采集設(shè)備都只能夠和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的雙向通信，為了實(shí)現(xiàn)該功能，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)需要保存 N 個(gè)終端數(shù)據(jù)采集節(jié) 點(diǎn)的 16 位網(wǎng)絡(luò)短地址，這就要求每個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)請(qǐng)求得到允許以后，把 16 位網(wǎng)絡(luò)短地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立地址表，以滿足用戶對(duì)于特定區(qū)域采集數(shù)據(jù)的需求。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 第 3 章 溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 無線溫度采集系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)有 線的溫度傳感系統(tǒng)布線繁瑣，監(jiān)測(cè)過程受限的缺點(diǎn)。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 無線傳感器溫度采集系統(tǒng)主要由 PC 機(jī)、 ZigBee 協(xié)調(diào)器和放置在各處的溫濕度采集節(jié)點(diǎn) ——ZigBee 終端設(shè)備組成。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)較為簡化，僅由一個(gè) CC2530 模塊，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)和數(shù)字 SHT10 溫度傳感器組成，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)被初始化為無 信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。利用模塊上的溫度傳感器模塊采集環(huán)境溫度，并上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而后立即再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，以達(dá)到最少能耗來延長電源續(xù)航時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集各溫度采集節(jié)點(diǎn)的信息，并將信息快速的通過 RS232 串口按事先定義好的格式上傳 PC 機(jī)，隨即解析并顯示 出來。 圖 示例了Zigbee 系統(tǒng)的組網(wǎng)模式。之后兩者建立無線通訊，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要有 2 種方式，一種為周期定時(shí)發(fā)送信息 (本次實(shí)驗(yàn)采用該方法測(cè)試 )，另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送 FLASH 信息。而是采用周期定時(shí)廣播的方式來發(fā)送 ZIGBEE 節(jié)點(diǎn)端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 系 統(tǒng)硬件平臺(tái) ZigBee 通信模塊 ZigBee 通信模塊采用德州儀器（ Texas Instrument）公司的 CC2530 通信芯片。 CC2530 采用 Chip公司最新的 SmaitRF03 技術(shù)和 造，采用 77 mmQLP48 封裝。CC2530 工作在 ，采用低電壓 (～ )供電，且功耗很低 (接收數(shù)據(jù)時(shí)為 27mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為 25mA)、靈敏度高 (97dBm)、最大輸出為 24dBm、最大傳送速率為 250kb/s。 CC2530 無線單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 ，在 32kHz晶體時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于 1μA。 通信模塊電路設(shè)計(jì) 由于 CC2530 芯片的高集成度，設(shè)計(jì) 通信模塊的外圍電路時(shí)僅需少量外圍元件即可完成數(shù)據(jù)處理和傳輸功能，可顯著降低系統(tǒng)成本。 圖 CC2530芯片外圍電路 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 在硬件設(shè)計(jì)上它采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的 12 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降到1 個(gè)，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。該芯片除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8051的數(shù)字外設(shè)之外，片內(nèi)還集成了許多有用的模擬和數(shù)字外設(shè)及功能部件，如模擬多路開關(guān)、可 編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、看門狗定時(shí)器等 ,支持在系統(tǒng)編程和調(diào)試等，本系統(tǒng)主控單元由單片機(jī)與CC2530 共同完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、顯示。 該節(jié)點(diǎn)由無線收發(fā)器 CC25射頻天線 RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。當(dāng)使用不平衡天線 (例如單極天線 )時(shí)，為了優(yōu)化性能，應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。電源模塊用于 CC2530 的數(shù)字 I/O 和部分模擬 I/O 的供電，供電電壓為 ～ 。外設(shè)與 CC2530 的連接非常簡單，僅需一根接口線，接口十分方便。 溫濕度數(shù)據(jù)采集原理 溫濕 度探頭直接使用 IIC 接口進(jìn)行控制。分別連接 CC2530 的 P1_0、 P、 1_1 兩個(gè) IO引腳。 系統(tǒng)配套的溫濕度傳感器，與 ZIGBEE 模塊的 J5 排線相連，這樣我們可以知道，溫濕度傳感器模塊的時(shí)鐘線與 ZIGBEE 模塊的 P0_0 IO 引腳相連，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線與 P0_1 IO 引腳相連。 溫濕度傳感器 SHT10 SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。傳感器上電后，要 等待 11ms以越過 ―休眠 ‖狀態(tài)。電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 SCK 頻率。 DATA 在 SCK 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時(shí)鐘上升沿有效。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng) DATA 在低電平。 上拉電阻通常已包含在微處理器的 I/O 電路中 [26]。 Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪詢機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式，如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段系統(tǒng)將協(xié)調(diào)器通過串口 RS232 和上位機(jī)（ PC 機(jī)）相連，溫度傳感器加入由數(shù)據(jù)匯聚模塊組成的網(wǎng)絡(luò)后，可以將工作模式配置為靜態(tài)模式（設(shè)置溫度傳感器采集的速率，傳感器采集溫度數(shù)據(jù)后不存儲(chǔ)直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器然后由協(xié)調(diào)器發(fā)送給上位機(jī)），通過人機(jī)交互的方式可以實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)；如要溫度傳感器要進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度采集，經(jīng)過簡單的配置后（溫度傳感器采集的速率，采集溫度的起始時(shí)間）傳感器模塊即進(jìn)入動(dòng)態(tài)模式。當(dāng)采集過程結(jié)束，溫度傳感器重新回到數(shù)據(jù)匯聚模塊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，通過上位機(jī)監(jiān)控界面發(fā)送數(shù)據(jù)上傳指令，這樣存儲(chǔ)在 FLASH 中的時(shí)間信息（采集溫度的起始時(shí)間，每次采集溫度的時(shí)間間隔）和溫度數(shù)據(jù)會(huì)按時(shí)間先后上傳到上位機(jī)。之后兩者建立無線通訊，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要有 2 中方式，一種為周期定時(shí)發(fā)送信息，另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送 FLASH 信息。而是采用周期定時(shí)廣播的方式來發(fā)送 ZIGBEE 節(jié)點(diǎn)端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用 TI 公司推出的與 CC2530 芯片配套的ZigBee2020 協(xié)議棧 (ZStack)及 IAR 集成開發(fā)環(huán)境對(duì)無線通信傳輸進(jìn)行設(shè)定和修改。 ZStack協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想，運(yùn)用事件輪詢機(jī)制，在一個(gè)基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的操作系統(tǒng)抽象層 (OSAL)上運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)包含的事件都有其對(duì)應(yīng)的事件編號(hào)， OSAL 通過調(diào)度任務(wù)的事件號(hào)來判斷事件類型，進(jìn)而調(diào)用事件的任務(wù)處理函數(shù)，通過任務(wù) API 函數(shù)將任務(wù)處理函數(shù)添加到系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，在每個(gè)協(xié)議層的實(shí)體通過對(duì)信息打包與對(duì)等實(shí)體通信。在通信的接收方數(shù)據(jù)包依次向上通過協(xié)議棧，每一層的實(shí)體能夠根據(jù)預(yù)定的格式準(zhǔn)確的提取需要在本層處理的數(shù)據(jù)信息，最終用戶應(yīng)用程序得到最終的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行處理 。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大的方便。操作系統(tǒng)抽象層 OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 平臺(tái)，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。 根據(jù) ZigBee2020 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范， ZSTACK—— 協(xié)議棧文件結(jié)構(gòu)如下： HAL：硬件層目錄，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。 MAC 層 分高層和底層， include 目錄下包括 MAC 層參數(shù)配置文件及其 mac 的 lib 庫函數(shù)接口文件 MT：監(jiān)控調(diào)試層目錄，實(shí)現(xiàn)通過串口調(diào)試各層，與各層進(jìn)行直接交互。 OSAL：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。 Security：安全層目錄，安全層處理函數(shù)，比如加密函數(shù)等。 Tools：工程配置目錄，包括 空間劃分及 ZStack相關(guān)配置信息。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象，方便用戶用自定義的對(duì)象調(diào)用 aps 子層的服務(wù)和 nwk層的服務(wù)。 是 zstack mac 導(dǎo)出層接口文件 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 是 zmac 需要調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù) ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件。 Output：輸出文件目錄，這個(gè) EW8051 IDE 自動(dòng)生成的。整個(gè)函數(shù)構(gòu)成消息處理機(jī)制，每個(gè)層次互不干擾互不影響。 1. 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)上電后，通過執(zhí)行 ZMain文件夾中 的 int main()函數(shù)實(shí)現(xiàn)硬件的初始 化，其中包括關(guān)總中斷 osal_int_disable(INTS_ALL)、初始化板上硬件設(shè)置HAL_BOARD_INIT()、初始化 I/OInitBoard(OB_COLD)、初始化 HAL 層驅(qū)動(dòng)HalDriverInit()、初始化非易失性存儲(chǔ)器 sal_nv_init NUL