【正文】 無線收發(fā)模塊的硬件設(shè)計(jì) 3． 1 芯片的選擇 本系統(tǒng)采用 CC2430 芯片作為 ZigBee 無線通信模塊。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 CC2430 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 CC2430 整合了 ZigBee 射頻（ RF）前端、內(nèi)存和微控制器，集成了符合 IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的 2. 4GHz 的 RF無線電收發(fā)機(jī)，支持?jǐn)?shù)字化的 RSSI/LQ I，具有 CSMA /CA功能和 強(qiáng)大的 DMA 功能、電池監(jiān)測和溫度感測功能，同時具有強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。 CC2430 采用兩種工作電壓，外部數(shù)字 I／ O 接口使用 +3． 3V 電壓，內(nèi)部使用 +1． 8V 工作電壓，這樣的電壓轉(zhuǎn)化主要是因?yàn)?CC2430 在片上集成了一個直流穩(wěn)壓器，能夠把 +3． 3V 電壓轉(zhuǎn)化為 +1． 8V。 CC2430 的天線可以采用兩種設(shè)計(jì)方案：金屬倒 F型 PCB 引線天線和單極天線。 單極天線是一種由直接垂直安裝在反射平面 (底板 )上的直導(dǎo)體 (通常其長度不大于波長的 1／ 4)組成的天線，其根部接饋線。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3． 4 電源 電路設(shè)計(jì) 給無線收發(fā)模塊供電電路如圖 3． 7所示， J4 為外置 +5V 直流電源插座 (方 便模塊調(diào)試 )， J5為電池供電接口 (通常為 2 節(jié) AA 電池供電 )，適用于家用時 可移動更換。 TPS79533 是一種超低噪聲、高電源抑制比的線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)器，它特別 適用于藍(lán)牙、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、膝上型／掌上型電腦、 PDA、手機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。而 PASS 腳 (5腳 )將 接一外部電容避免內(nèi) 部帶隙產(chǎn)生的噪聲，這樣可以加強(qiáng)電源抑制和減小外部噪 聲。同時給出了天線匹 配電路和電源供電的具體設(shè)計(jì)方案。數(shù)據(jù)處 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 理模塊的結(jié) 構(gòu)如圖 4． 1 所示。 系統(tǒng)電源電路部分： TMS320F2812 為 +3． 3V 信號電平，核心電平為 +1． 8V，而以太網(wǎng)控制器都是 +5V 的信號電平。 復(fù)位電路部分： SP708 給 TMS320F2812 和 SL811HS 提供低電平復(fù)位信 號。 RS232 串行通信部分：設(shè)計(jì)這一部分是為了方便調(diào)試?？紤]到協(xié)議轉(zhuǎn)換需要大量 的數(shù)據(jù)存儲空間，而 TMS320F2812 內(nèi)部空間有限，因此需要外擴(kuò)一塊高速靜態(tài) RAM，本文采用的是 ISSI 公司生產(chǎn)的 IS6lLV25616AL。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 4． 1 數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu) 4． 2 數(shù)據(jù)處理模塊的外圍電路設(shè)計(jì) 4． 2． 1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 本模塊用到了 +5V、 +3． 3V和 +1． 8V的器件。所以本模塊采用 NationalSemiconductor 公司的芯片 LM2596 和LMlll7， 將電路板外接的 +9V 轉(zhuǎn)換成 +3． 3V 和 +1． 8V。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 4． 3 電源電路 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4． 2． 2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 為了提高系統(tǒng)的可靠性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行，使用了 Sipex 公司生產(chǎn)的 低功耗 SP708R處理器監(jiān)控芯片，可以提供高／低復(fù)位電平。 SP708R 還可以監(jiān)控電源和電池供給，它集成了很多器件在其中，包括：一個看門狗定 時器、一個 uP 的復(fù)位、一個掉電比較器和一個手動復(fù)位輸入。而 PFI腳是掉電輸入引腳，當(dāng) SP708R 的輸入電壓低于 1． 25V 時，肋將 為低，所以通常將 PFI連接到地。 SP708R 在這里主要是 為 TMS320F2812 芯片、 USB 控制芯片 SL811HS 提供低電平的復(fù)位信號。 圖 4． 復(fù)位電路 4． 2． 3 以太網(wǎng)通信接口電路設(shè)計(jì) 為了把經(jīng)過 DSP 處理模塊的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)動態(tài)的顯示在監(jiān)控機(jī)上，這就 需要設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信接口電路。本地 DMA 完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，遠(yuǎn)程 DMA 負(fù)責(zé) DSP 與 RAM 之間的數(shù)據(jù)傳輸， DSP 收 發(fā)數(shù)據(jù)只對遠(yuǎn)程 DMA 操作。為了做到這點(diǎn)，如果 33 引 腳 RSTDRV 置高，則網(wǎng)絡(luò)適配器被認(rèn)為放入 16位插槽，而 IOCSl6B 腳將會連 ～ 300W 的上拉電阻；反之，則被認(rèn)為放入 8 位插槽，而 IOCSl6B 腳將會連一 27KW 的下拉電阻。如圖 所示。 本設(shè)計(jì) 使用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn) TTL電平和 RS． 232 電平之間的轉(zhuǎn)換，硬件電路如圖 所示。 5嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μ c／ osII在 TMS320F2812上的移植 5． 1 μ c／ os— II 的概述及特點(diǎn) 考慮到在智能家居系統(tǒng)中， ZigBee 收發(fā)模塊 (對應(yīng)于安防傳感器的部分 ) 是一個要求實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)的模塊，這也就要求整個系統(tǒng)必須 是一個實(shí)時系統(tǒng)， 能夠?qū)Ω鞣N傳感器或命令做出及時反應(yīng)，且智能家居系統(tǒng)軟件必須能夠?qū)?nèi)存 管理、對消息反應(yīng)能夠?qū)崟r。同時， 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 還考慮到以后可以對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行升級改造 (在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)環(huán)境 下，開發(fā)新的應(yīng)用程序 )的需要，移植一個實(shí)時操作系統(tǒng)也是非常有用的。 μ C／ OS． II是由 JeanJ． Labrosse 于 1992 年編寫的一個嵌入式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)。μ C／ OS 一Ⅱ是用 C語言和匯編語言來編寫的。 Ps]I．μ C／ OS． II的體系結(jié)構(gòu)如圖 5． 1 所示。 (2)μ C／ OS． II 非常適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高，占用空間小、確定性、實(shí)時性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。 (4)μ C／ OS． II 的移植較為簡單，只需要修改 3 個與硬件相關(guān)的文件和重寫幾個函數(shù)即可。在執(zhí)行該任務(wù)時通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇與安防傳感器 (煤氣泄露 )終端節(jié)點(diǎn)通信，采集傳感器數(shù)據(jù)。在執(zhí)行該任務(wù)時通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) 協(xié)調(diào)器選擇與安防傳感器 (溫度 )終端節(jié)點(diǎn)通信，采集傳感器數(shù)據(jù)。 3號任務(wù)，與 1 號任務(wù) 對應(yīng)，將安防傳感器 (溫度 )采集的數(shù)據(jù)最終通過以 太網(wǎng)上傳到監(jiān)控機(jī) (PC 機(jī) )上。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5號任務(wù)，單獨(dú)為窗簾建立一個任務(wù)。 6號任務(wù)，為電表、水表、燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)采集建立一個任務(wù)。 7號任務(wù)，用來對三表數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控機(jī) (PC 機(jī) )建立任務(wù)。 從任務(wù)的代碼上來看，任務(wù)是如下形式的一個 C 函數(shù)： void task(void) { 參數(shù)定義； for(； ； ) { 執(zhí)行任務(wù)代碼； 調(diào)用 OSTimeDly()延時函數(shù)，清除該任務(wù)就緒位，設(shè)置延時時鐘 周 期數(shù)，調(diào)用任務(wù)切換宏 OSTASKswo 進(jìn)行任務(wù)調(diào)度； ) 它們具有各自獨(dú)立的堆?？臻g和不同的靜態(tài)優(yōu)先級， 0號任務(wù)優(yōu)先級最高， 7號任務(wù)優(yōu)先級最低。同時任務(wù)可以在系統(tǒng)和應(yīng)用程序的控制下，根據(jù)具體情況改變自己的狀態(tài)，這個改變叫做任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。把任務(wù)交給內(nèi)核是通過調(diào)用任務(wù)創(chuàng)建函數(shù) OSTaskCreateO 或提供了一些 附加功能的 OSTaskCreateExt0 實(shí)現(xiàn)的。 就緒態(tài)的任務(wù)都被放在就緒列表中，在任務(wù)調(diào)度時，指針 OSTCBHighRdy 指向 優(yōu)先級最高的那個任務(wù)控制塊 OSTCB，就立即運(yùn)行該任務(wù)。任何時候只能有～個任務(wù)處于運(yùn)行 狀態(tài)，就緒 的任務(wù)只有當(dāng)所有優(yōu)先級高于本任務(wù)的任務(wù)都轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)時，才 能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。 (4)等待狀態(tài) (WAITING)：正在運(yùn)行的任務(wù)由于調(diào)用延時函數(shù) OSTimeDlyO 或等待事件信號量的來臨而將處理器的使用權(quán)讓給其他任務(wù)而使任務(wù)處于等待 狀態(tài)。 由此可知，在智能家居系統(tǒng)中的 8 個任務(wù)就是在這 5 種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的。 (2)在 OS CPU． C文件中用 C 語言編寫與處理器相關(guān)的 C語言代碼模塊， 即編寫 6個簡單的 C語言函數(shù)。 μ C／ OS． II移植到 TMS320F2812 采用的是 CCS2． 0編譯軟件， CCS2． 0 支持交叉編譯 (允許在 C源代碼中插入?yún)R編語言 )，所以適合嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) μ C／ OS． II的移植。 6 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 6． 1 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建 ZigBee 支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。 首先設(shè)置 ZigBee 主無線模塊為協(xié)調(diào)器，其它節(jié)點(diǎn)模塊為終端器件。建網(wǎng)過程開始后，協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層將首先請求 MAC層對 物理層所定義的有效信道進(jìn)行能量檢測掃描，以排除可能占用的信道。 網(wǎng)絡(luò)層的管理實(shí)體收到能量檢測掃描的結(jié)果后，將對那些在允許能量范圍 內(nèi)的信道進(jìn)行進(jìn)一步處理。為了決定建立網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體還將檢查 PAN 標(biāo) 識符，并且將所查找到的第一個信道設(shè)為新網(wǎng)絡(luò)的最小編號。 如果協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的管理實(shí)體找到合適的信道，將為這個新網(wǎng)絡(luò)選擇一個 PAN標(biāo)識符。如果選定 PANID 與已 存在的 PANID 不發(fā)生沖突，則這個 m值就將成為新網(wǎng)絡(luò)的伴 ND；否則，將 為這個協(xié)調(diào)器模塊選擇一個隨機(jī)的 PANID，只要不使它為廣播地址 (0xFFFF) 同時小于 0x3FFF，并且它在所選擇的信道中所存在的網(wǎng)絡(luò)是唯一的。 協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的管理實(shí)體一旦選擇了一個 PANID，將選擇一個等于 0x0000 的 16 位網(wǎng)絡(luò)地址，同時設(shè)置 MAC層的 PIB屬性為 macShortAddress(0x53)。個域網(wǎng)的啟動狀態(tài)會通過 MLME． START． confm 原語返回到網(wǎng)絡(luò) 層。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 6． 1 建立網(wǎng)絡(luò)流程圖 家居監(jiān)控系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器管理整個 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 的。在星型 網(wǎng)絡(luò)中， ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)只要求一個全功能節(jié)點(diǎn)做網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。需要注意的是，這里網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與 RFD 節(jié)點(diǎn) (終端節(jié)點(diǎn) )在下 載程序時，要通過編譯軟件選擇下載的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。 本設(shè)計(jì)采用的是基于 ZigBee／ 90215． 4的 CC2430 的 (精簡版 )協(xié)議棧，精 簡版協(xié)議棧全面支持 FFD、 RFD、 ROUTER 和 COORD。 整個組網(wǎng)過程中協(xié)議棧的初始化代碼如下： (1)物理層初始化 Void phyInit(void) { Memlnit0； //初始化化內(nèi)存 phyState=PHY_STATE_IDLE；／／物理層狀態(tài)是空閑 phyAfib． flagsval=0；／／物理層的 PIB屬性的標(biāo)志位值 ) (2)MAC 層初始化 Void maclnit(void) { macState=MAC_STATE_IDLE； macRxState=MAC_RXSTATE_IDLE； =0： =0： =0：／／接收數(shù)據(jù)幀尾 =0； //接收數(shù)據(jù)幀頭 =PANID=LRWPAN_DEFAULT_PANID；／／設(shè)各所在 PAN 的 自身的默認(rèn)標(biāo)識符 Mac_pib． macMaxAckRetries=aMaxFrameRetries；／／發(fā)送失敗后，確認(rèn)幀的 最大重新發(fā)送次數(shù) mInitAddressMapO；／／ init theaddress map ifdef LRWPAN_COORDINATOR mac__pib． depth=O； else 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) mac_pib． depth=1；／／ depth will be at beat one endif mac_pib． bDepth=OxFF；∥該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)深度 mac__pib． macCaplnfo=O；／／其它性能 ifdefLRWPAN_AlJ_COORDINATOR LRWPAN_SET_CAPINFO_ALTPAN(mac_pib． macCaplnfo)； endif ifdefLRWPAN_FFD LRWPAN_SET_CAPINFO_DEVTYPE(mac_pib． macCaplnfo)； endif ifdefLRWPAN_ACMAIN_POWERED LRWPAN_SET_CAPINFO_PWRSRC(mae__pib． macCaplnfo)； endif ifdefLRWPAN_RCVR_ON_WHEN_IDLE LRWPAN_SET_CAPINFO_RONIDLE(mac_pib． macCapInfo)； endif ifdefLRWPAN— SECURITY_APABLE LRWPAN_SET_CAPINFQSECURITY(mac_pib． macCapInfo)； endif LRWPAN_SET_CAPINFO_ALLOCADDR(mac_pib． macCapIrrfo)；／／分配