【正文】 .... 26 參考文獻(xiàn) ...................................................... 27 致謝 ........................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 附錄 1 作品實(shí)物圖和電路原理圖 .................................. 28 附錄 2 部分源程序 .............................................. 33 第 1 頁(yè) 基于 ZigBee 技術(shù)的多路無(wú)線搶答器研制 【 摘要 】 ： 針對(duì)搶答器廣泛應(yīng)用的因素， 本系統(tǒng)是在 分析比較傳統(tǒng)有線搶答器和各種無(wú)線搶答器的基礎(chǔ)上基于 最新 ZigBee 技術(shù) 而設(shè)計(jì)的 多路無(wú)線搶答器。 文中提出了 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，選用 TI（德州儀器）公司的 CC2430 設(shè)計(jì)了一種低成本、低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通用節(jié)點(diǎn)和具有良好可擴(kuò)展性的 軟硬件平臺(tái) 。系 統(tǒng) 以 TI 公司的 CC2430 芯片和模擬電子器件為核心，利用 TI 公司芯片低功耗低電壓工作的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的一款最大無(wú)線傳輸距離為 15M 的便攜式多路無(wú)線搶答器。經(jīng)過(guò)實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行，驗(yàn)證了 本系統(tǒng)的 正確性和實(shí)用性。 CC2430。 CC2430。與其它無(wú)線協(xié)議相比， ZigBee無(wú)線協(xié)議提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求。 ZigBee 所具有的低功耗、低成本、低速率和使用便捷等顯著優(yōu)勢(shì)，使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。相信在不久的將來(lái)，會(huì)有越來(lái) 越多的具有 ZigBee 功能的產(chǎn)品進(jìn)人我們的生活，為我們的生活和工作帶來(lái)極大的方便和快捷。擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功能強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)且功耗低可實(shí)現(xiàn)便攜式， ZigBee 無(wú)線搶答器使活動(dòng)空間上更自由化。 第二章 系統(tǒng)原理分析與整體設(shè)計(jì) 從系統(tǒng)目標(biāo)、設(shè)計(jì)思路、工作原理對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。 第四章 軟件設(shè)計(jì) 主要從軟件流程的角度對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹。 第 3 頁(yè) 第 1章 引言 第 選題 依據(jù) 及研究意義 . 設(shè)計(jì) 背景 系統(tǒng)是在最新的 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的多路無(wú)線搶答器。 傳統(tǒng)的有線搶答器，線路眾多、體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不方便、擴(kuò)展復(fù)雜，活動(dòng)場(chǎng)地嚴(yán)重受限制?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的射頻無(wú)線搶答器，由一組無(wú)線發(fā)射器和一個(gè)無(wú)線接收器、解碼器、單片機(jī)以及數(shù)碼顯示器和音響警示電路等組成。 基于傳統(tǒng)的有線搶答器實(shí)用性差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于最新的 ZigBee 技術(shù)的便攜式多路無(wú)線搶答器。系統(tǒng)采用 ZigBee 技術(shù)的原因在于：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)做起來(lái)比使用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單；低成本；低功耗；傳輸速率適中；優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；硬件支持 CSMA/CA功能；數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持強(qiáng)大的 DMA 功 能；帶有 2 個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的 USART，以及 1 個(gè)符合 IEEE 規(guī)范的 MAC 計(jì)時(shí)器， 1 個(gè)常規(guī) 16 位計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位計(jì)時(shí)器，擁有強(qiáng)大靈活的開(kāi)發(fā)工具。 基于綜上的比較，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯，擁有研制的價(jià)值和廣闊前景。 1998 年，愛(ài)立信、諾基亞、 IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無(wú)線連接。 Bluetooth 列入了，規(guī)定了包括 PHY、 MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。另外， Bluetooth 對(duì)每個(gè)“ Pico”（微微網(wǎng)）有只能配置 7 個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制，制約第 4 頁(yè) 了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。 IEEE802 . 11 的最初規(guī)范是在 1997 年提出的。目前， IEEE802 .11 標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有被工業(yè)界廣泛接受。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn) 化無(wú)線平臺(tái)增加了困難。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)等，因此大多數(shù)便攜 WiFi 裝置都需要常規(guī)充電。 (3)、 IrDA 紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) IrDA（ Infrared DataAssociation）成立于 1993 年。 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備傳輸速率已從 逐步發(fā)展到 4Mbps、 16Mbps。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用成本低廉的特點(diǎn)。 (4)、 ZigBee ZigBee（ ）技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式。另外，它可與 254 個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。它本身的特點(diǎn)使 得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。 第 6 頁(yè) 圖 ：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) ZigBee 和 標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為 250K，與其他無(wú)線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近 。 為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的要求， 2021 年 12 月 IEEE 成立了 工作組，致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用，且復(fù)雜度、成本和功耗均很低的低速率無(wú)線連接技術(shù)。到目前為止，除了 Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國(guó)際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有百余家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大 。所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā) ZigBee 物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 工作組。它通常對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的要求很低，功率消耗要低。所以 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)要解決的問(wèn)題是設(shè)計(jì)一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無(wú)線收發(fā)信機(jī)。 . ZigBee 的特點(diǎn) 第 7 頁(yè) ① 低功耗：由于 ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為 1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此 ZigBee 設(shè)備非常省電。 ② 成本低： ZigBee 模塊的初始成本在 6 美元左右，估計(jì)很快就能降到 ～ 美元，并且 ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。 ③ 時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。 ④ 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組 成靈活。 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 ⑥ 安全： ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（ CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了 AES 128 的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 圖 示意了 ZigBee 的結(jié)構(gòu)和分工。 第 協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn) 滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ ISO）開(kāi)放系統(tǒng)互連（ OSI）參考模式，定義了單一的 MAC 層和多樣的物理層。 . 物理層 提供了圖 所示的兩種物理層的選擇（ 868 / 915MHz 和 ），物理層與 MAC 層的協(xié)作擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范疇。 圖 兩種不同的物理層 第 9 頁(yè) 圖 ： ZigBee 物理信道 物理層的數(shù)據(jù)傳輸率為 250kbps， 868 / 915MHz 物理層的數(shù)據(jù)傳輸率分別是20kbps、 40kbps。來(lái)自物理層收斂協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU）的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次（按字節(jié)從低到高）組成 4 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)，每種數(shù)據(jù)符號(hào)（對(duì)應(yīng) 16 狀態(tài)組中的一組）被映射成 32 位偽噪音碼片，以便傳輸。 868 / 915MHz 物理層使用簡(jiǎn)單 DSSS 方法，每個(gè) PPDU 數(shù)據(jù)傳輸位被最大長(zhǎng)為 15 的碼片序列（ m 序列）所擴(kuò)展。 . 介質(zhì)訪問(wèn)層 ZigBeeMAC 層的設(shè)計(jì)需要考慮到降低成本、容易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作及非常低的功耗等要求，為此采用了如下所示的簡(jiǎn)單且靈活的協(xié)議： ① 采用 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 64 bit 和 16 bit 短地址； ② 基本網(wǎng)絡(luò)容量可以達(dá)到 254 節(jié)點(diǎn)； ③ 可以配置使用大于 65， 000（ 216）節(jié)點(diǎn)的本地簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，而且開(kāi)銷不大； ④ 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（ FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（ RFD）等 3 種指定設(shè)備； ⑤ 簡(jiǎn)化幀結(jié)構(gòu)； ⑥ 可靠的數(shù)據(jù)傳輸； ⑦ 聯(lián)合 / 分離； ⑧ AES 128 安全機(jī)制； 第 10 頁(yè) ⑨ CSMA CA 通道； ⑩ 可選的使用信標(biāo)的超級(jí)幀結(jié)構(gòu)。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(rèn)幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee 設(shè)備間 MAC 子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動(dòng)重傳該幀。 MAC 層的通用幀格式如圖 所示。 標(biāo)準(zhǔn)定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等 ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討周怡窹，等 802 系列標(biāo)準(zhǔn)中，而MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同物理層的實(shí)現(xiàn)而變化。 圖 ： ZigBee 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)準(zhǔn)草案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括圖 所示的新型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ Mesh）。多址的形式包括 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 64 位和短地址 8 位。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。 更多 的存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由作用。也可能做終端設(shè)備 精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）： RFD 只能傳送信息給 FFD 或從 FFD 接收信息。附帶有限的功能來(lái)控制成本和復(fù)雜性 RFD 由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee 部件成本，而簡(jiǎn)單的 8 位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。系統(tǒng)在完成基本模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括 ZigBee 無(wú)線發(fā)射 /接收模塊的設(shè)計(jì)和電源電路，按鍵電路，復(fù)位電路和顯示電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工作原理：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(lái)。 第 系統(tǒng)目標(biāo) 系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)一款便攜式的，實(shí)用的多路無(wú)線搶答器 。系統(tǒng)設(shè)計(jì)好基礎(chǔ)模塊后進(jìn)行ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。以上就是整個(gè)電路的硬件電路。 第 系統(tǒng)工作原理 節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之 間組網(wǎng)。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。 第 13 頁(yè) 第 主芯片 CC2430 的特點(diǎn)介紹 系統(tǒng)主芯片 CC2430 整合了業(yè)界領(lǐng)先的 IEEE CC2420 以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 MCU 的卓越性能，還包括了 8KB 的 SRAM、大容量閃存以及許多的強(qiáng)大特性。 CC2430 片上系統(tǒng)是高度集成的解決方案，僅需很少的外置元件，且所選用元件均為低成本型，可支持快速、廉價(jià)的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。 CC2430 可用于 ZigBee 協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。 CC2430 具有如下特性： 高 性能低功耗的 8051 微控制器核； 集成符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 的 RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)； 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性； 硬件支持 CSMA/CA 功能； 在休眠模式時(shí)僅 的流耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式時(shí)少于 流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)； 較寬的電壓范圍（ ~）； 協(xié)調(diào)器 顯示 節(jié) 點(diǎn) 電源 圖 系統(tǒng)原理方框圖 節(jié) 點(diǎn) 節(jié) 點(diǎn) 按鍵 按鍵 按鍵 按鍵 第 14 頁(yè) 數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持強(qiáng)大的 DMA 功能； 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC； 集成 AES 安全協(xié)處理器； 帶有 2 個(gè)強(qiáng)大的支 持幾組協(xié)議的 USART，以及 1 個(gè)符合 IEEE 規(guī)范的MAC 計(jì)時(shí)器， 1 個(gè)常規(guī) 16 位計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位計(jì)時(shí)器。基站可以是一臺(tái) PC、 PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其他與高數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)基本相同。各節(jié)點(diǎn)將基站作為一個(gè)中間的，使相互之間傳輸數(shù)據(jù)或命令。 網(wǎng)狀網(wǎng)：網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多跳（即多次中繼）系統(tǒng)，其中所有無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)都相同，而且直接相互通信，與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和相互傳輸命令。 混合網(wǎng)：混合網(wǎng)力求兼具星形網(wǎng)的簡(jiǎn)潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長(zhǎng)傳輸距離和自愈性等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)展 了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，同時(shí)提供了容故障能力。 +ADJ/G1Vout2Vin3U4InPowerC4110uFC4210uF 圖 電源電路 如圖所示， 3 腳和地為輸入加 +5V， 2 腳輸出 2 腳之間加兩個(gè) 10uf的極性電容。 輸入電壓范圍寬可以滿足 ~7V的變化輸入。 電路簡(jiǎn)單，可靠性高。 R11K+D1RedR321KR331KD3GreenD4Red通信指示燈電源指示燈 圖 指示燈電路 第 按鍵電路 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)按鍵時(shí)，進(jìn)行了軟件和硬件的消除抖動(dòng)設(shè)計(jì)。 S1C1GND