（无线电物理专业论文）基于zigbee收发器cc2430的分布式温度测量系统的设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 内容摘要 无线传感器网络是由分布在各个区域的自组织节点设备的无线网络。这些节点 设备通过自身的传感器来监测周围的物理或者环境状况，比如温度、声音、压力、 震动等，通过汇总和分析这些信息做出决策。无线传感网络最初应用在军事领域， 用以战地的一些监测。近年来，无线传感网络越来越多的应用在民用工程上，包括 环境监测，家庭自动化，交通控制等领域。随着无线传感器网络应用的越来越广泛， 它成为了当前研究的热点之一。 无线传感器网络是由大量的节点组成的，节点在无线传感网络中具有路由和感 知的功能。通常无线传感网络由大量的低成本、资源受限的传感器节点组成，用来 部署在复杂的环境中，节点往往通过电池来供电。因此，在无线传感网络节点操作 系统设计时，低功耗是一个具有挑战的新问题。传感器节点数量众多，分布区域广 泛，甚至有时是处在难以接近的环境中，通过手动来实现节点上软件的更新和故障 修复的难度很大，因此，需要节点具有通过无线网络更新的能力。 针对无线传感器网络技术的特点，一项新的技术标准z i g b e e 技术在2 0 0 2 年被 提出并不断被更新和完善，并获得了广泛的支持。z i g b e e 技术作为一种新兴的近距 离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无 线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这 些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到 另一个传感器，所以其通信效率非常高。 本文首先介绍了z i g b e e 技术的发展现状、z i g b e e 技术规范及z i g b e e 芯片 c c 2 4 3 0 的特点。其次具体论述了采用c c 2 4 3 0 完成分布式温度测量系统的设计方 案，讨论了无线网络的功耗管理方法、无线网络的配置、利用片内温度传感器检测 环境温度、从节点温度数据的发送、主节点对温度数据的接收及上传给上位机显示 等内容。 关键词：无线传感器网络；z i g b e e ：8 0 2 1 5 4 ：c c 2 4 3 0 ；无线通信 ，嚣 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i san e t w o r kc o n s i s t i n go fs p a t i a l l yd i s t r i b u t e d s e l f - o r g a n i z i n gd e v i c e s n e s ed e v i c e su s et h e i rs e n s o r st om o n i t o rd e v i c e s t h e i rs e n s o r s t om o n i t o re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，s o u n d ，p r e s s u r ev i b r a t i o n , a n d s oo n d e c i s i o ni sn l a d ea f t e rd a t aa c q u i s i t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g w s nw e r g o r i g i n a l l ym o t i v a t e db ym i l i t a r ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha sb a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c e i na d d i t i o n a r e a s ，i n c l u d i n ge n v i r o n m e n tm o n i t o t i n g ，h o m ea u t o m a t i o n , a n dt r a 衢cc o n t r 0 1 w s n s b e c o m eo n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c hd i r e c t i o n so fc o m p u t e rs c i e n c en o w d a y s w s n sc o n s i s to fl a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e sw h i c hh a v et h ec a p a b i l i t yo f c o m p u t i n g ，s e n s i n g a n d c o m m u n i c a t i n g m o s ts e n s o rn o d e sa r el o w - c o s ta n d r e s o u r c e s - c o n s t r a i n e dc o m p a r e dt oo t h e re m b e d d e ds y s t e m s ，s oi tc a nb ed e p l o y e di na l a r g es c a l e e n e r g ye f f i c i e n c yi so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n gi s s u e ss i n c em o s to ft h e s e n s o rn o d e sa r eb a t t e r yp o w e r e d t h es o f t ? w a r ei nad e p l o y e dw s n so r e nn e e d st ob e c h a n g e d , e g u p d a t i n gt h es y s t e mw i t hn e wf u n c t i o n a l i t y , o rf i x i n gs o f t w a r eb u g s h e n c e ， r e p r o g r a m m i n go fw s n si sad e s i g n e df e a t u r e u s u a l l yal a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e s a r es p r e a do v e ra l a r g ef i e l dw h i c hi su s u a l l yu n r e a c h a b l e u p d a t i n gs o f t w a r em a n u a l l yi s i m p o s s i b l e s on e t w o r km a n a g e r sn e e dr e m o t er e p r o g r a m m i n ga b i l i t yi no r d e rt oa d d n e wf u n c t i o n a l i t yo rf i xs o t h v a r eb u g s i nv i e wo ft h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s an e wt e c h n i c a l s t a n d a r di n2 0 0 2w a sp r o p o s e da n dh a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a ds u p p o r ta f t e ru p d a t i n g a n di m p r o v i n g i ti st h ez i g b e et e c h n o l o g y z i g b e et e c h n o l o g ya so n ek i n do fe m e r g i n g w i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y 谢mn e a rd i s t a n c e ，l o wc o m p l e x i t y , t h el o wp o w e r l e s s ，t h e l o wd a t er a t e ，t h el o wc a s t , i sm a i n l yu s e di nt h en e a rd i s t a n tw i r e l e s sc o n n e c t i o n i th a s i t so w na g r e e m e n ts t a n d a r dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e ns e v e r a lt h o u s a n ds m a l ls e n s o r s i n t e r c o o r d 妇f i o nr e a l i z a t i o nc o m m u n i c a t i o n s t h e s es e n s o r so n l yn e e dv e r yf e we n e r g i e s ， p a s st h ed a t eb yt h er e l a yw a yt h r o u g ht h er a d i ow a v ef r o mas e n s o rt oa n t h e r , t h e r e f o r e t h e yc o m m u n i c a t ew i t ha ne x t r e m eb yl l i 曲e 伍c i e n c yw i r e l e s sc o n n e c t i o n t i l i sa r t i c l e b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fz i g b e et e c h n o l o g ya n dt h e s p e c i f i c a t i o no fi t , a l s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec c 2 4 3 0c h i po nw h i c ht h ez i g b e e t e c h n o l o g yc a nb ei m p l e m e n t e d b e s i d e ，i tg i v eas a m p l ea p p l i c a t i o ne x a m p l eo nh o w t o r e a l i z ead i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r e m e a s u r et a s k , i n c l u d i n gp o w e rc o n s u m p t i o n m a n a g e m e n t , c o n f i g u r a t i o no ft h ew i r e l e s sn e t w o r k , u s i n gt h eo n - c h i pt e m p e r a t u r es e n s o r t od e t e c tt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e 也ew a yt h et e m p e r a t u r ed a t ai ss e n df r o m c h i l d d e v i c e ，a n dt h er e c e i v i n go ft e m p e r a t u r ed a t ao nt h ec o o r d i n a t es i d e ，a n dt h ew a y t h ed a t ai su p l o a d e dt oap c o nw h i c ht h ed a t ai sf u r t h e rd i s p l a y k e yw o r d s ：z i g b e e ；8 0 2 1 5 4 ；c c 2 4 3 0 ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：王乡孓坤日期：? 善年f 月夕鲁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：王孓冲 日期：卯g 年1 月孝日 扑二名欲 日期矽孑年j ，月加 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童诠塞握交厦进卮l 旦兰生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：王矽叶 日期：7 肪男年月? g 日 争唪釜鬈老始趁 日期：旷年f b 浙 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 1 绪论 1 1z i g b e e 技术背景介绍 自2 0 世纪9 0 年代开始，无线网路技术逐渐进入我们的工作和生活，从g s m 到b l u e t o o h ，从无线a t m 到无线局域网，它们以不同的方式、不同的数据速率、在 不同的距离上为我们实现网络连接，实现信息的及时传递，深刻地影响着我们的工 作和生活方式，使我们摆脱了电缆的束缚，从而能够在移动中自由地实现信息的交 换。虽然g s m 能够使我们随时随地与大洋彼岸的亲朋通话，无线局域网能够使我 们方便的接入英特网，但我们仍然要为家庭里安装一个传感器或开关的布线而烦 恼：仍然要身上连接导线躺在床上才能进行心电图之类的检查；仍然要为生产车间 里蜘蛛网一样的信号线而困惑：仍然要为野外安装大量传感器的供电绞尽脑汁。也 就是说，在实际应用中仍然存在着一些现有无线网络技术无法或不能很好工作的场 合，我们需要一种短距离、低数据速率、低成本、低功耗的无线网络技术。在这种 情况下，z i g b e e 技术应运而生。2 0 0 2 年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、 摩托罗拉公司和菲利普公司等联合发起成立了z i g b e e 联盟，旨在建立一种低成本、 低功耗、低数据速率、短距离的无线网络技术标准。2 0 0 4 年，z i g b e e 标准正式问 世。 z i g b e e 作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无 线网络技术，它有效弥补了低成本、低功耗、低速率无线通信市场空缺，其成功的 关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。目前z i g b e e 在国内方兴未艾，有 广阔的市场前景。在无线数据传输、无线传感器网络、无线实时定位、射频识别、 数字家庭、安全监视、楼宇自动化、无线抄表、汽车电子、医疗电子、工业自动化 等方面得到非常广阔的应用。不远的将来，将有越来越多的内置式z i g b e e 功能的 设备进入我们的生活，并极大地改善我们的生活方式和体验。 由于z i g b e e 是嵌入式技术应用研究热点之一，当前全世界很多公司陆续投入这 个市场，市场上各种z i g b e e 的技术方案五花a i - j ，争奇斗艳。目前，国内外嵌入式 射频芯片中，t i 公司的c c 2 4 3 0 芯片是性能最好、功能更强的一个。它结合了市场 “ 领先的zs t a c k t mz i g b e e t m 协议软件和c h i p c o n 公司的工具软件，为开发出无 接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。相信在未来几年，它的应 用将会涉及到社会的更多领域。 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i $ 1 2 毕业论文任务目标 通过对本课题的研究，应对z i g b e e 技术有较全面了解，熟悉c c 2 4 3 0 器件手册 和8 0 2 1 5 4 协议并在此基础上完成基于z i g b e e 收发器c c 2 4 3 0 的分布式温度测量系 统的设计工作。为最大限度简化设计工作，实际硬件设计只采用1 个主节点和2 个 从节点，从节点要离主节点一定的距离，从节点采用电池供电，定时检测环境温度， 并将温度数据通过无线方式发送给主节点，主节点收到从节点温度数据后，按一定 格式，通过r s 2 3 2 串口上传到上位机显示出来。 2 2z i g b e e 技术简介 2 1z i g b e e 的基本概念 z i g b e e 是一个山可多到6 5 0 0 0 个无线数传模块纰成的一个无线数传嘲络平台， 十分类似现有的移动通信的c d m a 网或g s m 网，每个z i g b e e 网络数传模块类 似穆动网络的一个荩站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相瓦通信：每个网 络节点间的距离可以从标准的8 0 到扩展后的几百米，甚至几公旱；另外整个z i g b e e 网络还町以与现有的其它的各种网络连接。 2 1 1 目前现有的几种同络标准比较 z i g b e e 标准0 注于低速、文本类型数据的传输，不适用于图象、声音等类型数 据传输。以f 的表1 和图1 显示了日日口几种网络标准之| 1 | 】的比较 表1z i g b e e 与现有几种网络标准的比较 g p r s ，g s m w i - f ib l u e t o o t h z i g b e e 市场名标准 c d m a8 0 2 1 l b8 0 2 1 5 18 0 2 1 54 广阔范闱 w e b e m a i l 电缆替代品 检测、控制 应用重点 声音数据图象 系统资源1 6 m b +1 m b +2 5 0 k b +4 k b 一3 2 k b 屯池寿命( 天)l 一70551 71 0 0 一1 0 0 0 + 网络太小 13 0 76 5 0 0 0 带宽( k b s ) 6 4 1 2 8 +1 1 0 0 0 + 7 2 0 2 0 2 5 0 传输距离( 米) 1 0 0 0 +l1 0 01 1 0 +l 一1 0 0 + 覆盖面人，质 价格便宜、方可靠、低功耗、 成功尺度速度、灵活性 最好惶价格便宜 文奉目特日，声音压螬田像多通遗敷丰田像 。晦瓣瓣黑瓣躁一瓣罱霸嘲霸霹珥 ? e 墨墨誊盈墨盈 耸峦卸墨空墨e 西 蜒 耋一“e8一一一 ”口墨墨目 墨露墨口 低t 实际敷括特螗事，高 图1z i g b e e 与现有几种月络标准的比较 3 2 1 2z i g b c e 与8 0 21 5 4 z i g b e e 是一组基于i e e e8 0 2 】5 4 无线标准研制_ j t = 发的有关组网、安全和应用 软件方面的技术，i e e e8 0 215 4 仪处理m a c 层和物理层协议，z i g b e en n x , j - 其n 络层协议和a p i 进行了标准化。 z i g b e e 或o e m z i a b e e 十联盟平台 8 0 2 1 5 l 应用层 7 j g b e e 平台通信栈 墨硬件实现 圈2 z i g b e e 与8 0 2 1 5 4 关系 2 1 3z j g b 钟频带、数据传输牢殛信道 表2 z i g b e e 频带划分 频带使凡j 范围数据传输率信道数 24 g 世界 2 5 0 k b p s 1 6 8 6 8 m h z欧洲 2 0 k b o s 】 9 1 5 m h z 北羹 4 0 k b p s 1 0 山于i s m 频段免费，使得它受到了各正线设备f 一商得欢迎与人力支持，基于 i s m 频段的无线设备层出不穷。在这i 个i s m 频段中，24 g i - i z 频段全球通用，无 需许可证。基于此频段的无线设蔷可在大部分围家通用，应用前景广阔。 2 14z i 出e e 的设备类型 按设备的功能强弱划分：全功能设备( f f d ) 和精简功能设备( r f d ) 。 全功能设备自更多的存储器、计算能力，具有伞部8 0 2 1 54 功能和所有特性， 有控制器的功能，可提供信息双向传输。 精简功能设蔷仅附带有限的功能来控制成本和复杂性，只做为终端设备使用， 使用小内存，小协议栈，实现简单。 按设备在网络中的作用划分： z i g b e e 协调器( z i g b e e c o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e e r o u t e r ) 和z i g b e e 终端设备( z i g b e ee n dd e v i c e ) z i g b e e 协调器：处于网络顶层，它总是处于工作状态，有稳定可靠的电源供给。 包含所有的网络信息，足三种设各种艟复杂的一种，存储容量大、计算能力强。能 发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息等。它们只能由 f f d 承担， z i g b e e 路由器：它们必须具各数据的存储和转发能力及路由发现能力。它们除 完成应用任务外，还必须支持其子设各的连接、路由表的维护等。它们只能由f f d 承担。 z i ；b e e 终端设备：结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠状态， 以最大程度地节约电能，延长电池寿命。可以由f f d 承担，但主要还是由r f d 承担。 2 2z i g b e e 同络拓扑结构 z i g b e e 支持星型网络、树簇型网络和网状网络。 o 、，o o 、西，o 0 、。oo u o 、 o 一，、o o 图4 星型网络 此嘲络有一个称为网络协调器的中央控制器和若干从设备构成。星型网络的覆 盖范围有限，通常用于家庭自动化、个人健康监护、玩具等领域。 2 2 2 树簇型同络 树簇型剐络如罔3 所不，处于网络最末端的称为“叶”节点，它们是刚络的终 端设备。若干个叶节点设备连接在一个r o u t e r 上，形成“簇”若干个“簇”在连 接形成“树”，故称为树簇拓扑嘲络。树簇拓扑网络是利用路由器对星型网络的扩 充。树簇型网络适用于分布范围较大的应用场台。 图5z i g b e e 网状网络 2 2 3 网状( m e s h ) 胃络 网状网络如阿5 所示，此网络的特点是网络中的任何路山设备都可以和它的通 信范围内的其他路由设各进行通信。设备之f 可传送信息时可以通过路由器转发，即 多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。m e s h 町构成高叮靠性通信网络，但网 络复杂性也大大增加。对路由设备的信息存储能力和计算能力有较高的耍求。 2 3z i g b e e 标准规范 z i g b e e 技术规范，2 格遵循8 0 215 4 对m a c 层和p h y 层的规定，并在此基础 i 扩充了其j 一层，包括网络层，应用层等。以下几竹简单介绍些要点： 2 3 1 原语概念 在z i g b e e 协议栈旱的每层通过使用下层提供的服务完成自己的功能，同时 对上层提供服务。各层之间的联系是通过格式化、规范化的服务原语柬完成的。 在z j g b e e 技术中存在4 种类掣的服务原语： 请求原语( r e q u e s t p r i m i t i v e ) ：上层发给下层的请求其完成某项服务的原语。 确认原语( c o n f i r mp l s m i t i v e ) ：f 层发给上层的表示某项服务完成情况的原语。 指示原语( i n d i c a t i o np r i m i t i v e ) ：下层发给r 层的表示有某些内部事件或外部 事件发生的原语。 除漱倭jj 一 一 rr k 气 墓喜慨 ， 瓣一 蝴舯蝼纳酗砷酗眦 0 电一 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 响应原语( r e s p o n dp r i m i t i v e ) ：上层对下层发来的指示原语的响应。 2 3 2p h y 层任务 激活与关闭r f 收发器 对指定信道进行能量扫描 报告接收到的每个数据包的链路品质信息( 反映了当前信号强度、信噪比) 空闲信道评估( c c ac l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) 选择工作频段中的某一信道 数据的发送与接收 2 3 3m a c 层的主要任务 发送信标或检测、跟踪信标 通信连接的建立与断开 设备安全机制 通过c s m a c a 机制解决信道访问冲突 处理和维护保护时隙 为两个z i g b e e 设备的m a c 层之间提供可靠的数据链路 2 3 4 信标、超帧及其结构 “帧( p a c k e t ) 是数据通信的基本单位，它由需要传送的数据，附加上一些 必要的信息，按一定的格式形成的二组数据，又称为“包 。各层都有自己的帧， z i g b e e 的m a c 层有一种特殊的帧，称为“超帧 。 ， 网络协调器通过超帧来限定和分配信道的访问时间。超帧包括“活动? 部分和 “非活动 部分，在活动部分个设备通过竞争或非竞争的方式使用信道，而在非活 动部分各设备进入休眠，以达到节能目的。 超帧的活动部分分为1 6 个相等的、称为“时隙( s o l t ) 的时间片，p a n 中的设 备只能在特定的时隙中进行数据收发。超帧的第一个时隙被用来发送信标帧。信标 帧是一个特殊的帧，它总位于超帧的最前面，用来表示一个超帧的开始。信标帧里 包含了有关p a n 、超帧的一些重要信息，p a n 中的设备通过检测信标帧来识别超帧 的开始，从而和协调器同步。其余的1 5 个时隙又分为两大部分，称为c a p 的竞争 部分和称为c f p 的非竞争部分。c f p 里的时隙又称为“保护时隙( g t s - - - g u a r a n t e e d t i m es l o t ) ，因为它们是保留给特定的设备使用的，这些设备使用自己的g t s 进行 数据传输时无需使用c s m a c a 算法与其他设备竞争。设备也可以使用c a p 部分 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的实现数据的传输，但在这种情况下，设备必须使用c s m a c a 算法通过竞争取得 时隙的使用权。 信标 - i ；= = 二一c a p 峥c f pj 下个超帧的信标 _ 一l g t s g t s c l i2 l 3 i4 | 日6 i7 18 19l q l l l l 爿l ：1 4 i s d 活动音i分i 非活动部分 图6 超帧结构 有两种信道访问机制：一种是信标使能的p a n 网络中采用时隙c s m a c a 算 法；另一种是在信标不使能的网络中采用非时隙c s m a c a 算法。信标使能网络中 采用时隙c s m a c a 算法，各设备在协调器发送的信标下同步，周期性的进入休眠 状态，在网络设备较多的树状网络和网状网络中，这是一种非常有效的控制设备功 耗的方法。 2 4z i g b e e 通信可靠性保证 2 4 1 通信可靠机制 物理层r f 部分采取了一系列措施如：明晰的信道检测、对干扰能量的检测、 采用扩频技术等一系列方法确保数据的可靠传输。 z i g b e e 采用了c s m a c a 的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用的保护时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方 的确认信息，如出现问题进行重发。m a c 层采取了c r c 的误码检n 校正算法。 2 4 2z i g b e e 网络的自组织性和自愈畿力 z i g b e e 网络的自组织功能：z i g b e e 网络节点无需人工干预，能自动感知其他节 点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。 z i g b e e 网络自愈功能：增加或者删除一个节点、节点位置变动、节点发生故障 等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应调整，无需人工干预，仍 保证整个系统仍然能正常工作。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 5z i g b e e 技术优势 数据传输速率低：1 0 k b 秒2 5 0 k b 秒，专注于低速率传输 低功耗：在低功耗待机模式下，两节普通5 号电池可使用6 2 4 个月 低成本：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本 网络容量大：网络可容纳6 5 0 0 0 个设备 时延短：典型搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活时间为1 5 m s ，活动设备信道接 入时延为1 5 m s 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠 数据安z - z i g b e e 提供数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 一1 2 8 加密算法， 各个应用可灵活确定其安全属性 使用频段为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 、9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免注 册频段。 2 6z i g b e e 应用条件及应用场合 2 6 1z i g b e e 的应用条件 低功耗 低成本 较低数据传输率 需要支持数量庞大的网络节点 需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用 要求高的网络自组织、自恢复能力 2 6 2z i g b e e 的主要应用场合 ， 无线传感器网络 自动抄表系统 安防、监控照明 环境检测、水文水利监测无线通信、农田耕作 工业制造、过程控制遥测遥控 家庭监控 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3z i g b e e 收发器c c 2 4 3 0 主要结构 3 1c c 2 4 3 0 功能特点与结构 c c 2 4 3 0 芯片是c h i p c o n 公司生产的首款符合z i g b e e 技术的2 4 g h z 射频系统 单芯片。适用于各种z i g b e e 无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备。c c 2 4 3 0 芯片以强大的集成开发环境i a r 作为支持，它结合c h i p c o n 公司全球先进的z i g b e e 。协议栈、工具包和参考设计，是全球领先的z i g b e e 解决方案。它集成了增强型5 1 内核m c u 、闪存、i e e e 8 0 2 1 5 4 所需要的全部硬件。c c 2 4 3 0s o c 家族包括3 个不 同系列的产品，c c 2 4 3 0 f 3 2 ，c c 2 4 3 0 f 6 4 和c c 2 4 3 0 f 1 2 8 。它们的区别在于内置闪 存的容量不同，分别是3 2 k 、6 4 k 和1 2 8 k 片内闪存。 高性能和低功耗的8 0 5 1 微控制器核 具有3 2 6 4 1 2 8 k b 可编程闪存和8 k b 的r a m 集成符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的2 4 g h z 的z i g b e e 射频( i 强) 前端，有优良的无 线接收灵敏度和强大的抗干扰性 c c 2 4 3 0 芯片采用0 1 8 p m c m o s 工艺生产，7 x 7 m mq l p 4 8 封装。工作时的电 流损耗为2 7 m a ，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于2 7 m a 和2 5 m a 在休眠模式时仅0 9 1 x a 的流耗，外部的中断或r t c 能唤醒系统；在待机模式时 少于0 6 衅的流耗，外部中断能唤醒系统 c c 2 4 3 0 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性特别适合那些要求电 池寿命非常长的应用场合 硬件支持c s m a c a 功能 较宽的电压范围( 2 0 - 3 6v ) 强大的d m a 功能 具有电池监测和温度感测功能 上电复位电路( p o w e ro nr e s e t ) 、掉电检测电路( b r o w no u td e t e c t i o n ) ，以及2 1 个可编程i o 引脚 集成了1 4 位模数转换的a d c 集成a e s 安全协处理器。 带有2 个强大的支持几组协议的u s a r t ，以及1 个符合i e e e8 0 2 15 4 规范的 m a c 计时器，1 个常规的1 6 位计时器、2 个8 位计时器、3 2 7 6 8 k h z 晶振下工作 的睡眠定时器( s l e e pt i m e r ) 和看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 。 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 2c c 2 4 3 0 内部一些重要单元模块 3 2 1 电压调节器( v o l t a g er e g u l a t o r s ) 芯片内部集成有两个低压降高效率电压调整器，其中一个为芯片内部数字部分 ( 如m c u 内核、d m a 、存储器、定时器、u s a r t 等) 提供1 8 v 数字电源，另一 个电压调整器为芯片内部模拟部分如射频前端、r c 振荡器、晶体振荡器、片内温 度传感器、a d c 部分提供1 8 v 稳定的模拟电源。 3 2 2 调试仿真接口 芯片上有一个片上调试接口( o n - c h i pd e b u gm o d u l e ) ，此调试接口支持对片内 f l a s h 编程、访问内部m e m o r y 和s f r ，还支持断点调试、单步运行、寄存器修 改等功能。此调试接口使用两个线控制，分别是d e b u gd a t a 和d e b u gc l o c k ， 占用两个i o 口，当不需要调试功能时，被占用的i o 口可配置为通用i o 口使用。 利用此调试接口，可开发出低成本的芯片烧写器和芯片仿真器，极大地方便了应用。 3 2 3s l e e pt i m e r s l e e pt i m e r 是一个低功耗的工作在3 2 7 6 8 k h z 时钟下的2 4 b i t 向上计数睡眠 定时器，上电复位后即自动开始运行，支持2 4 位捕获，可触发中断和d m a 。利用 其低功耗、低时钟下工作特性，工作在p m 2 模式，实现芯片定时唤醒。 3 2 4c c 2 4 3 0 存储器结构 芯片内部有4 类物理存储器空间，分别是：8 k b 静态r a m 、硬件s f r 寄存器、 硬件r f 寄存器和f l a s h 存储器。 芯片将物理存储器空间分别对应到8 0 5 1 内核m c u 、c o d e 、d a t a 、s f r 、x d a t a 逻辑存储区域。 c o d e 区是1 6 位宽度的只读程序存储器区域。 d a t a 区是8 位宽度的可读写数据存储器区域，c p u 访问速度快，一个c p u 周 期访问。 s f r 区是7 位宽度可读写寄存器区域，可位寻址，c p u 访问速度快，一个c p u 周期访问。 x d a t a 区是1 6 位宽度可读写数据存储器区域，c p u 访问速度最慢，通常要4 5 各c p u 周期访问。 为了充分发挥d m a 控制的优势，c c 2 4 3 0 设计成将所有物理存储器区域 ( p h y s i c a lm e m o r y ) 映射到x d a t a 区域上，以使d m a 可在不同物理存储器区域 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 上搬运数据。 扣捧d a t a ，晰f f f f t 扯c 嘲r a m 0 k b s r a 啊 i o 幽m e m o r ys p a c e d f ? s l o wa c c 髑sr a m ， ， p r o g m n lm e m o r yi nr a m 多 h a r c l w a r es f r l 矗m e m o l y 、c e | _ 火 0 x t ! 0 0 0 o l d f f f r e g i s t e r s 广、 ， 、 矗d f h a r d w a r er e g h t t a m ，一一 h a r c l w a r er a d i o & f f 扦 j r ， r e g i s t e r s f 0 x o e f f u n l m p l e m e n t e c l 2 3k b x d a t am e m o r ys p a c e 0 ，m o o o o t t f f f 3 2 k bf l a s h n o n - v o l a t i l ep r o i g a mm e m o r y黼f 阡 3 2k b 籼由啪 d 孵脚 o m 0 0 0 8 0 5 1m e e e b t ys p a c e s c c 2 4 3 0 f 3 2 p h y s 删m w n o r y x d a t am e m o r y s p a o d 图7c c 2 4 3 0 存储器结构 3 2 5c c 2 4 3 0 的电源管理 有四种工作模式，分别是p m 0 、p m i 、p m 2 、p m 3 。p m 0 是正常工作模式，也 即不节能模式。p m 3 下工作有最低的电能消耗。 表3 列出了高速晶振( 3 2 m h z 石英晶振和1 6 m h zr c 振荡器) 、低速晶振 ( 3 2 7 6 8 k h z 石英晶振和3 2 7 6 8 k h zr c 振荡器) 、给数字部分供电的电压调节器 在不同电源模式下的是否工作。 表3 不同电源模式的比较 p o w e r h i g hs p e e dl o w - s p e e dv o l t a g er e g u l a t o r m o d eo s c i l l a t o ro s c i l l a t o rf o rd i g i t a lp a r t a an o n ean o n e 9 甍 b3 2 m zb3 2 7 6 8 k h z ao f f 刍 x o s cr c o s c b 0 b o n 蠕 口 ch sr c o s cc3 2 7 6 8 k h z o o db o t hx o s c p m o b ，c ，d b cb p m la b cb p m 2ab ca p m 3aaa 各种电源工作模式的适用情况如下叙述： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s p m l ：当系统只需要等待一个短暂的事件发生时，如可进入此模式，此时电流 消耗为2 9 6 u a 。 p m 2 ：当系统需要较长时间地等待某一事件，如用户的按键操作、操纵杆的操 作等频率较低的事件时，可进入此模式，此时电流为0 9 u a 。 p m 3 ：当对系统功耗有极其严格的要求时，可使芯片进入此模式，最为省电。 只有复位或外中断可使系统退出p m 3 模式回到正常模式p m 0 。此时电流为0 6 u a 。 表4 芯片各部分工作时的电流消耗 各部分电流消耗 典型值单位 m c ua c t i v em o d e ，s t a t i c4 9 2u a m h z m c ua c t i v em o d e ，d y n a m i c2 1 0u a m h z m c ua c t i v em o d e ，h i g h e s t 7 om a s p e e d m c ua c t i v ea n dr xm o d e2 7m a m c ua c t i v ea n dt xm o d e ， 2 4 7m a 0 d b m t i m e r11 0u a m h z n m e r 21 0u a m h z t i m e r 31 0 u a m h z n m e r4 1 0 u a m h z s l e e pt i m e r 0 5u a a e s5 0u a m h z a d co 9m a u s a r t l 厂u s a r t 21 2u a m h z d m a3 0u a m h z f l a s hw d t e 3m a 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 系统方案设计 4 1 系统总体方案设计 降低无线节点功耗的方法是尽量降低其m c u 、无线收发芯片的活动时间，延长 它们的“睡眠 时间，但这需要综合考虑系统响应时间、功耗等因素。休眠时间太 长，虽可获得更低的功耗，但势必降低采样温度的实