电子信息工程专业本科毕业论文基于cc2530温湿度采集与传输系统设计与实现.doc

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1、基于CC2530温湿度采集与传输系统设计与实现（机械与电子工程学院 电气工程及自动化专业 毕业论文毕业设计）摘要ZigBee，国内称之为“紫蜂”，是一种廉价的低功耗近距离无线组网通信技术，具有低功耗、低成本、低速率、短延时、高网络容量等特点。目前，ZigBee技术已经广泛应用于无线通信领域。首先，本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感网络，所用处理器为cc2530这款单片机，采用点对点网络拓扑结构，对加入该网络传感节点进行温度和湿度数据采集和分析，可以应用于工业控制或者农业生产中对温度的检测和控制，避免了有线网络的布线问题和成本问题。其次，上位机由Visual Basic语言编

2、写完成，ZigBee无线网络中的终端设备通过采集当地的温湿度数据，通过ZigBee无线网络传输给协调器，协调器再把数据通过串口将数据传给上位机，上位机显示温湿度数据通过以折线的方式实时的显示出来，同时上位机还可以自动或者手动发送指令来控制下位机（终端设备和协调器）。最后，实现上位机和下位机联调成功后，进行毕业答辩演示。关键词 zigbee;cc2530;无线传感网络;温湿度的采集AbstractZigBee, domestic call this purple, is a kind of cheap low power short distance wireless network commu

3、nication technology, with low power consumption, low cost, low rate, short time delay, high network capacity, etc. At present, ZigBee technology has been widely applied in wireless communication field. First of all, this design aims to through the ZigBee wireless communication technology to build a

4、wireless sensor network, the processor used for cc2530 the microcontroller, using a peer-to-peer network topology structure, to temperature and humidity sensor nodes to join the network data collection and analysis, can be used in the industrial control or agricultural production of temperature dete

5、ction and control, to avoid the cable network wiring and cost problems. Second, PC completed by Visual Basic language, ZigBee wireless network terminal device through the acquisition of local temperature and humidity data, through the ZigBee wireless network transmission to the coordinator, the coor

6、dinator to pass data through the serial port to PC, PC display temperature and humidity data through real-time display, in the form of line and upper machine also can be automatically or manually send commands to control the machine (terminal equipment and the coordinator). Finally, realize the uppe

7、r machine and lower machine alignment success, after the graduation reply demo. Key Words Zigbee ;cc2530 ;Wireless sensor network ;Temperature and humidity acquisition 目 录摘要1Abstract2第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义21.3 国内外研究概况41.4 论文的主要研究内容及论文安排5第 2 章ZigBee协议及所采用的芯片介绍72.1 ZigBee概述72.2 ZigBee网络基础9网络节点

8、类型92.2.2 网络拓扑形式102.2.3 ZigBee组网技术112.2.4 工作模式122.3 CC2530芯片122.3.1 CC2530前瞻及应用122.3.2 CC2530概述132.3.3 CC2530 芯片的主要特点142.4 本章小节15第 3 章 系统的具体设计173.1 开发环境简介173.1.1 C51RF-3-PK ZigBee无线网络技术专业开发平台173.1.2 IAR Embedded Workbench简介173.2 系统详细设计18系统整体结构183.2.2 节点的硬件设计193.2.3 系统的程序设计203.2.4 基于ZigBee的温度采集系统程序流程图

9、设计243.3 上位机263.3.1 上位机的功能简介263.3.2 上位机软件的程序的流程图283.4 本章小节29第4章 系统测试31系统测试步骤314.2 系统测试结果314.2.1 硬件测试314.2.2 协议栈的测试314.2.3 上位机与协调器的单独测试314.2.4 下位机和上位机联调32系统测试结果分析32本章小节32结论33参考文献35致谢37第1章 绪论1.1 课题背景信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。因此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无城域网、无线局域网和无线个人网

10、。无线个人网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙、ZigBee、WiFi等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：低功耗。由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量小，并且使用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。成本低。ZigBee模块的初始化成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采

11、用直接序列扩频在工业科学医疗频段，2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲），免执照频段。时延短。ZigBee的响应速度较快，通信延时和休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入时延15ms。网络容量大。ZigBee可采用星型、树型和网型结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可以由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。低速率。ZigBee工作在20250kbps的低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20

12、kbps（869MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。可靠度高。为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。传输距离远。传输范围一般介于10100 m 之间，在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和

13、节点间通信的接力,传输距离将可以更远。兼容性。ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。1.2 课题研究的目的和意义ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短延时、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家居、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感网络应用和电信应用等领域。 智能家庭。家里可能都有很多电

14、器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了ZigBee技术，可以把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。工业控制。工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。医疗监护。电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，

15、如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题，可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器，可以通过ZigBee技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。自动抄表。抄表可能是大家比较熟悉的事情，像煤气表、电表、水表等等，每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后根据读数来收费。现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户的敲门，很不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或

16、水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。传感器网络应用。传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。电信应用。在2006年初的时候，意大利电信就宣布她研发了一种集成了ZigBee技术的SIM卡，并命名为“ZSIM”5。其实这种SIM卡只是把ZigBee集成在电信终端上的

17、一种手段。而ZigBee联盟也在2007年4月发布新闻，说联盟的成员在开发电信相关的应用6。如果ZigBee技术真得可以在电信领域开展起来，那么将来用户就可以利用 来进行移动支付，并且在热点地区可以获得一些感兴趣的信息，如新闻、折扣信息，用户也可以通过定位服务获知自己的位置。虽然现在的GPS定位服务已经做得很好，但却很难支持室内的定位，而ZigBee的定位功能正好弥补这一缺陷。此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee将会扮演更为重要的角色。但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的

18、路要走。虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，基于zigBee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向。1.3 国内外研究概况目前，zigbee技术的产业链已经基本成型。芯片大批量生产阶段，chipcon,freescale，ember，radiopulse，oki，helicomm，jennic，microchip等公司纷纷推出zigbee解决方案，其中atmel与

19、chipcon已经开发出zigbee芯片， 但二者都是选用全球通用的2.4ghz频道，其他厂商如ember搭配atmel与nec搭配chipcon芯片，已经完成开发套件，能够提供系统厂商整合方案。芯片商helicomm则是自行推出整合方，ipp-link2000，有2.4ghz与915mhz两版本，该方案可以与GPRS/CDMA相连接。Freescale、oki等也表示将推出2.4ghz整合rf、phy、与mac的芯片。2005年zigbee联盟选择德国莱茵tuv集团作为唯一的全世界无线实验室测试zigbee技术产品的代表，在世界各地提供zigbee联盟认可的商标认证和一致性平台测试服务。将新

20、的zigbee认证项目推向市场。紧接着zigbee联盟发布了首批成功完成互操作测试的四款平台。这些平台将用来测试未来数月内推出的zigbee产品，从而为zigbee标准在工业控制、HVAC空调系统与家庭自动化等领域的实际应用铺平道路。目前企业正积极开发 zigbee应用市场，分别为家庭与楼宇自动化、消费电子、自动读表与其他方面，包括工业自动化、监控检测、医疗、幼儿监护、物流管控、低温连锁管理与农业监控等。目前国内众多厂商从事zigbee家庭网关的开发，2006年6月，华为以“促进者”的身份加入了zigbee联盟理事会，但zigbee在中国还未得到足够的支持。尽管国内已经有不少人开始关注zigb

21、ee这门新技术，而且也有不少单位开始涉足zigbee技术的开发工作，然而，由于zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，因而要深入理解这个来自外国新技术，在组织一个在这几个方面都有丰富的配套的队伍，本身就不是一件容易的事。到目前为止，所见的报道有：成都西谷曙光数字技术，真正将zigbee技术开发成产品。我国开展研究机构主要有浙江大学、苏州大学、东南大学等一些高校，目前还处于起步阶段。1.4 论文的主要研究内容及论文安排本文主要研究了基于ZigBee的温湿度检测系统的设计，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建以及上位机的编程

22、实现。本文的安排如下：第一章阐述了设计的背景、目的和意义以及目前国内外的ZigBee研究发展情况。第二章介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式，此外简要介绍了CC2530芯片。第三章介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计，包括上位机的设计。第四章介绍了该设计的测试过程和调试过程。第五章对全文进行了总结。例外还有参考文献，大学期间和本次设计的致谢词，附录一（本次毕业设计的开题报告）和附录二（上位机程序），附录三（外文翻译）。第 2 章ZigBee协议及所采用的芯片介绍2.1 ZigBee概述ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式Z

23、igZag形状的舞蹈，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。2000年，IEEETG4（Task Group，TG）制定了IEEE 802.15.4标准。该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标，为设备之间的低速无线互连提供了统一标准，就是ZigBee无线通信技术。ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，CC2530是理想ZigBee专业应用。应用层（含应用接口层）用户安全层ZigBee联盟网络层MAC层物理层图2-1 ZigBee

24、协议栈结构ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块内容组成。其中PHY层和MAC层标准由IEEE 802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层(APS)应用框架(AF)以及ZigBee设备对象(ZDO)及ZDO管理平台组成。下面对协议栈各层的作用一一介绍。PHY层：定义了无线射频应该具备的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三种不同的频段，分别支持20k

25、bps、40kbps和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道。ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10100米之间。PHY层提供两种服务：PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)，PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC层：使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理设备问的可靠链接，支持关联(Association)和退出关联(Disassociation)以及MAC层安全。MAC层提供两种服务：M

26、AC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元(MPDU)。MAC层的主要功能是：进行信标管理、信道接入、保证时隙(GTS)管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。NWK层：提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE 802.15.42003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。Zig

27、Bee应用层包括应用支持子层(APS子层)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象(ZDO)。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架(AF)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。ZDO可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。把上面几个层次联合起来，

28、ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。2.2 ZigBee网络基础ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点分为协调器（Coordinator）、路由器(Router)和终端节点（End Device）。节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形

29、式。ZigBee网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。协调器。在各种拓扑形式的ZigBee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。当协调器入网后，会为其他其他的节点分配地址，之后便会以路由器的身份在网络中。路由器。当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。终端节点。终端节点的主要任务就是发送和接收信息。一般在中端节点上安装我们所需的传感器来实现设计的要求，通常一个终端

30、节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。当它的父节点路由器坏了时，可以选择其他的路由器来当父节点来对数据进行路由。2.2.2 网络拓扑形式星型拓扑。是最简单的拓扑形式，如图2-2。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。图2-2 星形拓扑结构树型拓扑。结构如图2-3。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。图2-3 树状拓扑结构网状拓扑。如

31、图2-4。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。在这三个网状中，网状拓扑是线路最多最复杂也是最有效率的一直组网方式。图2-4 网状拓扑结构2.2.3 ZigBee组网技术ZigBee中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络，当ZigBeePAN协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调点会为新网络选择一个PAN标识符（PAN标识符是用来标识整个网络的，

32、因此所选的PAN标识符必须在信道中是唯一的）。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，此后，如果另一个ZigBee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个64bit IEEE扩展地址和一个16bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。而64位的地址便是全球的，出厂家时，地址已经分配好了，但是可以人为的更改的。ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时，它首先会

33、通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以进行孤立通知过程重新加入网络。如果网络稳定之后，便会扮演路由器的角色。网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个路由发现表，它可以参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其它节点来扩展网络。2.2.4 工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种，下面对两种模式下进行具体的解释。信标模式：可以实现网络中所有设备的同步工作和

34、同步休眠，以达到最大限度地节省功耗， 在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms-4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式：ZigBee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。2.3 C

35、C2530芯片2.3.1 CC2530前瞻及应用Zigbee业界最为振奋人心的事情将发生在自动化读表领域，Zigbee联盟将其称为智能能源，其中Zigbee技术将被用于电表及煤气表、恒温记和智能家电之间的无线通信，以管理能源和节省费用。CC2530搭配最新的ZigbeePRO协议栈以及我们的支持，到目前为止成为业界最佳的市场解决方案概念。CC2530实施了IEEE标准，因此它是一款通用性极强的芯片高级计量与Zigbee智能能源、家庭与适用于包括消费类电子与RF4CE远程控制、楼宇自动化、照明、工业控制与监控、保健与医疗等在内的许多市场。随着ZigBee技术的日异成熟，Zigbee会在物联网这一

36、领域会有重大的突破，CC2530结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，相信CC2530这款芯片的会继续有atmel公司8051单片机曾经的辉煌，占有物联网所用芯片的市场。2.3.2 CC2530概述CC2530是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。下面从CC2530的应用，封装，内部结构和资源，以及外设的串口来介绍。芯片的的封装。CC25微米

37、CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器 整合在同一个硅晶片上。图2-5 CC2530引脚排列图芯片内存结构。CC2530包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。还包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。芯片内部资源。内部集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。还集成了用于用户自定义应用

38、的外设。一个AES协处理器被集成在CC2530之中，用来支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的（128位关键字）AES的运行，以尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。CC2530包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE 802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。芯片的外设串口。

39、CC2530内集成的其他外设有: 实时时钟；上电复位；8通道，814位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。 为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2530集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE 802.15.4 MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括：自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测数字RSSI、连接品质指示(LQI) 和CSMA/CA协处理器。2.3.3 CC2530 芯片的主要特点CC2530芯片主要特点如下：（1）延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF) 前端

40、、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB 的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。 （2）采用0.18 m CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低 于27 mA 或25 mA。CC2530 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

41、常长的应用。（3）支持最新的ZigBee协议ZigBee2007/PRO，而TI之前的SOC射频芯片CC2430/CC2431等不支持ZigBee2007/PRO协议栈。ZigBee2007/PRO相对于以前的协议栈具有更好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、频率捷变等方面有重大进步，且具有支持网状网络和低功耗特点。这就使得运用CC2530设计出来的节点通信距离更远，组网性能更稳定可靠。2.4 本章小节本章主要介绍了ZigBee无线网络技术，介绍了ZigBee协议栈各层的作用，无线网络由节点的类型，以及节点的组成不同类型的网络，还有它的工作方式，组网方式。接着介绍了CC2530芯片的内部资

42、源和外部串口以及应用情况。第 3 章 系统的具体设计3.1 开发环境简介3.1.1 C51RF-3-PK ZigBee无线网络技术专业开发平台C51RF-3-PK开发平台具有以下特点：1、具有USB高速下载、支持IAR集成开发环境；2、具有在线下载、调试、仿真功能；3、可以根据需求选配多种扩展开发板；4、开发方便、快捷、简单；5、功能强大的C51RF-3仿真器。不仅可以实现对CC2430/CC2431程序下载，还可实现开发仿真调试。6、多种扩展板既有简单开发按键、又有液晶显示及各种传感器。不但可以实现简单的CC2430/CC2431开发，还可作复杂的ZigBee无线网络。 IAR Embedd

43、ed Workbench简介IAR Embedded Workbench（简称EW）的C/C+交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW 今天已经支持35 种以上的8 位/16 位32 位ARM 的微处理器结构，对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW 包括：嵌入式C/C+优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY 调试器。使用IAR 的编译器最优化最紧凑的代码，可以节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。IAR Embedded Workbench 集成的编译器主要产品特征：（1） 高效 PROMable 代码（

44、2）完全标准 C 兼容（3）内建对应芯片的程序速度和大小优化器（4）目标特性扩充（5）版本控制和扩展工具支持良好（6）便捷的中断处理和模拟（7）瓶颈性能分析（8）高效浮点支持（9）内存模式选择（10）工程中相对路径支持IAR Systems 的C/C+编译器可以生成高效可靠的可执行代码，并且应用程序规模越大，效果明显。与其他的工具开发厂商相比，系统同时使用全局和针对具体芯片的优化技术。连接器提供的全局类型检测和范围检测对于生成目标的代码的质量是至关重要。IAR Embedded Workbench 是一套完整的集成开发工具集合：包括从代码编辑器、工程建立到C/C+编译器、连接器和调试器的各类开

45、发工具。它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试过程中，仅仅使用一种开发环境界面，就可以完成多种微控制器的开发工作。除上述的几点之外，在IAR Embedded Workbench，IAR Systems 还提供了visual STATE和IAR MakeApp两套图形开发工具帮助开发者完成应用程序的开发，它可以根据设计自动生成应用程序代码和自动生成驱动程序，使开发者摆脱这些耗时的任务同时保证了代码的质量。3.2 系统详细设计本设计所实现的无线温湿度采集系统以C51RF-3-PK开发平台为核心，使用了两块表演板，利用芯片自带的温湿度传感器采集温度值，充分发挥了C51RF-3-PK开发

46、平台的丰富资源。在上位机上，采集的温湿度实时地显示出来，并且通过折线图动态描绘出温度的变化趋势。考虑到可能采集多个节点的温度，上位机可以根据客户要求切换不同节点的温度折线图。为了方便对以往数据的查看，采集到的数据被实时保存到了excel文档之中。本系统由三类节点组成：ZigBee协调器节点、路由器节点、传感器节点。图3-1所示是其组成示意图，其中ZigBee协调器是分布式处理中心，即汇聚传感器节点的数据。传感器节点会先把数据传给汇聚节点（即协调器），然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。终端传感器节 点协调器节点上

47、位机图3-1 温度采集系统示意图3.2.2 节点的硬件设计协调器节点的硬件设计:ZigBee协调器节点硬件设计如图3-2所示，该节点由无线收发器CC2530、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。RF的输入输出是高阻和差动的。当使用不平衡天线(例如单极天线)时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC2530的数字I/O和部分模拟I/O的供电，供电电压为2036 V。CC2530可以同时接32 MHz和32768kHz的两种频率的晶振电路，以满足不同的要求。串口电路用于CC2530将接收到的数据传送给上位机，由于上位机与CC2530的电平不一致，（上位机采用的负逻辑电平）所以需要一个MAX232芯片进行电平转换。天线CC2530单片机Rs232串口电源晶振上位机图3-2 协调器节点路由器节点的硬件设计路由器节点的主要任务是将不同区域的数据从传感器节点路由到协调器节点，因此，该电路比较简单，该节点由无线收发器CC2530、射频天线RF、电源模块和晶振电路组成。传感器节点的硬件设计传感器节点和硬件设计如图3-3所示，该节点由无线收发器CC2530、射频天线RF、