【正文】 2 ZigBee技術(shù)與AVR單片機(jī)概述 ZigBee技術(shù)的演變與進(jìn)展，它是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，（ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）。因為IEEE僅規(guī)范了低級媒體控制層（MAC）層和物理層協(xié)議所以ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)顯示屏協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點，幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，而對路由器傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。對工業(yè)、家庭自動化控制和遙測遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，且功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等，因此這些領(lǐng)域?qū)o線通信的需求越來越強(qiáng)烈。ZigBee是一個由可多達(dá)65000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。另外，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)胡的其他各種網(wǎng)絡(luò)鏈接。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動通信網(wǎng)主要為語音通信而建立。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對象連接，例如與傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD和RFD）可支持多達(dá)31個的傳感器和受控設(shè)備，并且每一個傳感器和受控設(shè)備還可以有8種不同的接口方式。2002年10月，ZigBee聯(lián)盟當(dāng)時的成員有Philips Semiconductor、Honeywell、Mitsubishi、Invensys和Motorola等。（又稱為ZigBee2006）.，例如新增ZCL（ZigBee Cluster Library）、群化式裝置（Group Device）、多播（Multicast）功效，以及直接通過無線方式（Over The Air，OTA）進(jìn)行組態(tài)配置。，此標(biāo)準(zhǔn)又于2007年10月完成再次修訂（稱為ZigBee2007/PRO，或者ZigBee PRO或ZigBee2007），推出了ZigBee Pro Feature Set（簡稱ZigBee PRO）的新標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，ZigBee技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，軟硬件方面的發(fā)展也非常迅速，并有免費公開的協(xié)議棧供大家使用，如TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧（ZStack）提供免費下載。 ZigBee技術(shù)特點及應(yīng)用領(lǐng)域ZigBee技術(shù)特點包括以下幾方面：可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持高達(dá)65000個節(jié)點。高保密性：采用64位出廠編號，并支持AES128加密數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10－250 KB/s，更專注于低傳輸應(yīng)用。這也是ZigBee的支持者一起引以為傲的獨特優(yōu)勢。優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Γ篫igBee設(shè)備具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，ZigBee具有星、樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，因此通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎唵蔚馗采w廣闊范圍。工作頻段靈活：（全球）、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免護(hù)照頻段。不難看出，無論是紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)還是ZigBee技術(shù)，它們都具有各自的優(yōu)缺點，能夠適用于不同的應(yīng)用場合。這造就了ZigBee低功耗信息傳輸?shù)膬?yōu)勢。ZigBee節(jié)點所屬類別主要分3種，分別是協(xié)調(diào)器（Coodinator）、路由器（Router）、終端（End Device）。理論上可以連接65536個節(jié)點。圖21 ZigBee組網(wǎng)形式ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，這里就不一一列舉了。舉個最簡單的例子，終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器的最大通訊距離為200米，我們在200米的地方加入1個點作為路由器，那么終端就可以通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)，也就是說通訊距離可達(dá)400米。我們姑且可以先把ZigBee當(dāng)成普通的無線模塊應(yīng)用。SZ05系列無線通信模塊數(shù)據(jù)接口包括：TTL電平收發(fā)接口、標(biāo)準(zhǔn)串口RS232數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送、按照目標(biāo)地址發(fā)送模式，除可實現(xiàn)一般的點對點數(shù)據(jù)通信功能外，還可實現(xiàn)多點之間的數(shù)據(jù)通訊，串口通信使用方法簡單便利，可以大大簡短模塊的嵌入匹配時間進(jìn)程。無線功能強(qiáng)大：具備中繼路由和終端設(shè)備功能無線功能強(qiáng)大：具備中繼路由和終端設(shè)備功能通信距離較遠(yuǎn)：最大視距傳輸距離800米抗干擾能力強(qiáng)：串口應(yīng)用靈活：透明方式或指令格式傳輸，最高波特率115200發(fā)送模式靈活：廣播發(fā)送或目標(biāo)地址發(fā)送模式可選節(jié)點類型靈活：中心節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點可任意設(shè)置組網(wǎng)能力較強(qiáng)：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、鏈型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量較大：16信道可選，65535個網(wǎng)絡(luò)ID可任意設(shè)置SZ05系列無線通信模塊分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，這三類設(shè)備具備不同的網(wǎng)絡(luò)功能，中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點只進(jìn)行本節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。本設(shè)計中使用的終端節(jié)點為SZ05LSTD無線數(shù)傳模塊。圖22 Z05LSTD Zigbee無線數(shù)傳模塊SZ05LSTD實物圖 SZ05LSTD無線數(shù)傳模塊技術(shù)參數(shù) 本課題中使用的SZ05LSTD無線數(shù)傳模塊可以通過軟件的形式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這一特點使得組網(wǎng)更加簡單易行。具體的設(shè)置方式請參考順舟科技公司編寫的SZ05系列ZigBee嵌入式無線數(shù)傳模塊用戶手冊進(jìn)行設(shè)置，不再一一敘述。 Z05LSTD Zigbee無線數(shù)傳模塊技術(shù)參數(shù)無線頻率24002485M ISM免費頻段無線速率固定250K串口速率波特率1200115200可設(shè)置調(diào)制方式DSSS 直序擴(kuò)頻信道模式16信道（間隔5M），可指定或自動選擇最佳信道信道檢測CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星型、鏈型、樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)（MESH）網(wǎng)絡(luò)ID65535個可指定節(jié)點類型中心節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點可設(shè)置發(fā)送模式透明傳輸或指令格式定位信息RSSIIO應(yīng)用12個IO口可擴(kuò)展輸入電壓DC ~5V休眠電流20uA()發(fā)射功率SZ05L STD：3dbmSZ05LPRO：18dbm接收靈敏度SZ05L STD：92dbmSZ05LPRO：92dbm接口類型TTL、IO設(shè)備天線 內(nèi)置PCB陶瓷天線工作溫度40℃~+75℃工作濕度10%~90%不結(jié)露模塊尺寸SZ05LSTD：27mm X 17mm（長X寬）SZ05LPRO：29mm X 17mm（長X寬） AVR單片機(jī)概述ATMEL公司是世界上著名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。ATMEL公司在其單片機(jī)產(chǎn)品中融入了先進(jìn)的EEPROM電可擦除和Flash ROM存儲器技術(shù)，使其單片機(jī)產(chǎn)品具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢。它采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進(jìn)技術(shù)，使得AVR單片機(jī)具有高達(dá)1MIPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力。[4]3個大系列所有型號的AVR單片機(jī)都采用相同的AVR CPU內(nèi)核架構(gòu)，指令系統(tǒng)兼容，只是在內(nèi)部資源的配備、存儲器容量大小以及片內(nèi)集成功能接口部件的數(shù)量和性能上有所不同。 AVR單片機(jī)3大系列基本資源配置表8位AVR CPU（RISC架構(gòu)）存儲器配備系列封裝FlashSRAMEEPROMTinyAVR6～32腳512字節(jié)～8KB32～512字節(jié)0～512字節(jié)megaAVR28～100腳4～256KB512字節(jié)～16KB512字節(jié)～4 KBXMEGA44～100腳16～384KB8～32KB2～4 KB，megaAVR系列單片機(jī)剛屬于中檔產(chǎn)品，其性能不僅優(yōu)越，同時也有非常好的性價比。在AVR系列單片機(jī)中，ATmega16是一款中檔功能的AVR芯片，它的引腳數(shù)為40（44TQFP），在片內(nèi)集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字節(jié)的EEPROM，2個8位、1個16位共3個超強(qiáng)功能的定時/計數(shù)器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功能的接口和特性。 ATmega16的特點ATmega16 是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。其主要特點如下：1) 先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)216。 32個8位通用工作寄存器216。 配備只需2個時鐘周期的硬件乘法器2) 片內(nèi)含有較大容量、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器216。 1KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)3級鎖定的程序加密216。 支持符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能用于芯片檢測；216。 可通過JTAG口對片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密實現(xiàn)下載編程4) 外圍接口216。 1個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器216。 4通道PWM216。 面向字節(jié)的兩線接口TWI（兼容I2C硬件接口）216。 1個可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口（支持ISP程序下載）216。 內(nèi)含可編程的具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器5) 其他特點216。 片內(nèi)含有1/2/4/8MHz經(jīng)過標(biāo)定的、可校正的RC振蕩器可作為系統(tǒng)時鐘使用，216。 有6種休眠模式支持節(jié)電方式216。 運(yùn)行速度快：ATmega16L為0～8MHz，ATmega16為0～16MHz216。 AVR單片機(jī)的內(nèi)核結(jié)構(gòu) 本課題中的硬件平臺主要以ATmega16單片機(jī)（工業(yè)級）為核心，ATmega16是ATMEL公司生產(chǎn)的一款中檔功能的AVR芯片，它的引腳數(shù)為40（44TQFP），在片內(nèi)集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字節(jié)的EEPROM，2個8位、1個16位共3個超強(qiáng)功能的定時/計數(shù)器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功能的接口和特性。[5] 為了提高M(jìn)CU并行處理的運(yùn)行效率，AVR單片機(jī)采用了程序存儲器和數(shù)據(jù)圖23 AVR單片機(jī)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)示意圖存儲器使用不同存儲空間和存取總線的Harvard結(jié)構(gòu)。 在AVR的內(nèi)核中，由32個訪問操作只需要一個時鐘周期的8位通用工作寄存器組成了“快速訪問寄存器級”。這個ALU操作中包含3個過程：從寄存器組中取出兩個操作數(shù)；操作數(shù)被執(zhí)行；將執(zhí)行結(jié)果寫回目的寄存器中。 AVR單片機(jī)的算術(shù)邏輯單元（ALU）支持寄存器之間、立即數(shù)與寄存器之間的算術(shù)與邏輯運(yùn)算功能，以及單一寄存器操作。 AVR的中斷控制由I/O寄存器空間的中斷控制寄存器和狀態(tài)寄存器中的全局中斷向量使能位組成。所有的中斷向量構(gòu)成了中斷向量表，該中斷向量表位于Flash程序存儲器空間的最前面。 I/O空間為連續(xù)的64個I/O寄存器空間，它們分別對應(yīng)MCU各個外圍功能的控制和數(shù)據(jù)地址，如控制寄存器、定時/計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器及其它的I/O功能等。I/O寄存器空間在數(shù)據(jù)存儲器空間的映射地址為$020~$05F。 AVR CPU部分216。 數(shù)據(jù)存儲器RAM和EEPROM216。其外部引腳封裝如圖24所示。AVCC端口A和片內(nèi)ADC模擬電路電源輸入引腳。AREF使用ADC時，可作為外部ADC參考源的輸入引腳。XTAL1片內(nèi)反相振蕩放大器和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入端。在該引腳上施加（拉低），將引起芯片的硬件復(fù)位（外部）復(fù)位。 4個端口的第一功能是通用雙向數(shù)字輸入/輸出（I/O）口，其中第一位都可以由指令設(shè)置為獨立的輸入口或輸出口。 如果AVR的I/O口設(shè)置為輸出方式工作，則當(dāng)其輸出高電平時，能夠輸出20mA的電流；而當(dāng)其輸出低電平時，可以吸收40mA的電流。而時期單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力只有5mA,驅(qū)動LED時，還需要增加外部的驅(qū)動電路和器件。 ATmega16的異步傳輸接口USARTAVR的USART是一個增強(qiáng)型的、高度靈活的串行通信設(shè)備，ATmega16在片內(nèi)集成了一個全雙工的通用同步/異步串行收發(fā)器USART。 全雙工操作（相互獨立的接收數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器）；216。 同步傳輸操作時，可采用主機(jī)時鐘同步，也可采用從機(jī)時鐘同步；216。 擴(kuò)展的、支持5～9位數(shù)據(jù)位和1位和2位停止位的串行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；216。 硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出檢測；216。 包括錯誤起始位檢測的噪聲濾波器和數(shù)字低通濾波器；216。 支持多機(jī)通信模式；216。圖中用虛線框?qū)SART收發(fā)模塊分為三大部分：時鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器。圖25 USART收發(fā)器接口硬件結(jié)構(gòu)圖時鐘發(fā)生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時鐘輸入驅(qū)動）和波特率發(fā)生器組成，發(fā)送時鐘引腳XCK僅用于同步發(fā)送模式下。接收器是USART模塊中最復(fù)雜的部分，最主要的是時鐘和數(shù)據(jù)接收單元。除了接收單元外，接收器還包括校驗器、控制邏輯，移位寄存器和2級接收緩沖器（接收UDR）。543系統(tǒng)硬件設(shè)計本課題中的硬件平臺主要以ATmega16單片機(jī)（工業(yè)級）為核心，ZigBee無線數(shù)傳模塊為通信模塊，以歐姆龍固態(tài)繼電器為電機(jī)驅(qū)動模塊，電源控制電路采用220V市電作為電源，模塊內(nèi)部進(jìn)行ACDC電源轉(zhuǎn)換，用ACDC電源轉(zhuǎn)換模塊為單片機(jī)和Zigbee模塊供電?？梢詫Υ昂煹臓顟B(tài)進(jìn)行查詢和對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停的動作控制，最終實現(xiàn)對窗簾的開、關(guān)、停的動作控制。圖31 硬件系統(tǒng)連接實物圖圖32 主控板實物圖圖