畢業(yè)設(shè)計(jì)無線溫傳感器

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類目前已經(jīng)置身于信息時(shí)代，信息的獲取是實(shí)現(xiàn)信息他的前提，獲取信息的一種重要工具就是傳感器。綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信號(hào)處理技術(shù)等的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。在作戰(zhàn)人員通信、環(huán)境和氣象監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、智能家具、輻射監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。低成本、低功耗、應(yīng)用簡單的IEEE802．15．4和ZigBee協(xié)議的誕生為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了互聯(lián)互通酶規(guī)范。ZigBee協(xié)議是由IEEE802．154標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)終層和應(yīng)用層組成的，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有成本低、體積小、能量和通信能力有限等特點(diǎn)，所以此種網(wǎng)絡(luò)的突出特點(diǎn)是兩絡(luò)系統(tǒng)支持低成本、易實(shí)現(xiàn)、低功耗等。本課題綜合運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，用網(wǎng)絡(luò)化思想構(gòu)建了溫度傳感器系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：MSP430F2274ZIGBEECC2500【Abstract】Withtherapiddevelopmentoftechnology，humanhasbeenininformationera.Obtaininginformationisthepreconditionofrealizinginformationizationwhileoneofthemostimportanttoolswhichwereusedtoacquireinformationisthesensors．Thewirelesssensornetworkwhichcombinessensortechnology，wirelesscommunicationtechnology，embeddedcomputertechnology，modernnetworkanddistributedinformationdisposaltechnologytogetherisamulti—study，highlycrossednewresearchfields．Itplaysanimportantpartincampaignpeoplecommunication，invironmentalandweathercontrol，disasterdetection，intelligentbuilding，radiationinspectionandsoon．TheIEEE802．15．4andZigBeeprotocolofferthecriterionforwirelesssensornetwok．ZigBeeprotocolisconstitutedofIEEE802．15．4PHYandMAClayer．ZigBeenetworklayerandapplicationlayer．becausethenodehassomecharacteristicssuchaslow．cost，smallvolume，1imitedenergyandlimitedcommunication，thenetworkscharacteristicCSarethesystemsupportinglowcostoperation，easilyrealizationandverylowpowerconsumption．KeyWords:MSP430F2274ZIGBEECC2500目錄1引言 12MSP430單片機(jī)介紹 22．1MSP430單片機(jī)的用途 22．2MSP430單片機(jī)的功能 22．3MSP430F2274的介紹 32．3．1MSP430F2274的16位CPU 42．3．2MSP430F2274的存儲(chǔ)器組織 52．3．3MSP430F2274的尋址模式 62．4MSP430F2274的原理圖 63無線射頻芯片CC2500 83．1CC2500的性能參數(shù) 83．2CC2500的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 94ZigBee協(xié)議棧研究 104．1ZigBee協(xié)議棧概述 104．通信層 124．2．1PHY(物理)層 124．2．2MAC(介質(zhì)接入控制子層) 134．3ZigBee網(wǎng)絡(luò)層 154．3．1網(wǎng)絡(luò)層概況 154．3．2網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu) 174．3．3網(wǎng)絡(luò)層功能介紹 174．4ZigBee應(yīng)用層 185系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 195．1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 195．2系統(tǒng)元件概述 195．2．1存取點(diǎn)（AP） 195．2．2終端設(shè)備（ED） 205．3操作模式 205．3．1冗余模式 205．3．2最簡模式 205．4溫度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件方案研究設(shè)計(jì) 215．5傳感器節(jié)點(diǎn)主電路設(shè)計(jì) 215．5．1控制器電路設(shè)計(jì) 215．5．2輸入輸出模塊設(shè)計(jì) 215．6傳感器節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì) 225．6．1終端節(jié)點(diǎn)的可控電源設(shè)計(jì) 225．6．2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的開關(guān)電源設(shè)計(jì) 235．7傳感器節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì) 235．7．1無線通信模塊設(shè)計(jì) 236系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 256．1存取點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 256．2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 256．2．1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件總體設(shè)計(jì) 256．2．2ZigBee協(xié)議應(yīng)用對(duì)象設(shè)計(jì) 266．3溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 286．3．1溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)軟件總體設(shè)計(jì) 286．3．2溫度采集程序設(shè)計(jì) 286．3．3溫度顯示程序設(shè)計(jì) 297結(jié)論 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33附錄 34附錄1：MSP430與CC2500主接線圖 34附錄2：MSP430與CC2500實(shí)物圖 35附錄3：eZ430-RF2500網(wǎng)絡(luò)顯示設(shè)置 361引言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究中，溫度傳感器系統(tǒng)為分析決策系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，是許多監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的一部分，廣泛應(yīng)用在電力、化工、冶金、石油、環(huán)境、機(jī)械制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食存儲(chǔ)、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域．隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)車間等在地域上分布越來越廣，溫度監(jiān)測(cè)的范圍隨之?dāng)U大。溫度傳感器系統(tǒng)逐漸由單點(diǎn)、集中式向多點(diǎn)、分布式演變．由于溫度采樣點(diǎn)數(shù)量不斷增加，與監(jiān)控中心的距離越來越遠(yuǎn)，它們之間的數(shù)據(jù)交換必須通過傳輸網(wǎng)絡(luò)．當(dāng)前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的溫度變送器大多采用兩線制，兩線制雖然解決了電源線和信號(hào)線的復(fù)用問題，很大程度上減少了布線成本，但沒有徹底擺脫導(dǎo)線的束縛。很多情況下，布線成本很高，或者根本無法布線，導(dǎo)致溫度傳感器系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍受到限制。此外，采用兩線制溫度變送器的溫度傳感器系統(tǒng)的容量比較小，且不易擴(kuò)展。因此，設(shè)計(jì)一種成本低、覆蓋面積廣、容量大、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的溫度傳感器系統(tǒng)將很有意義．基于網(wǎng)絡(luò)的溫度傳感器系統(tǒng)采用新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的分布式采集，解決了傳統(tǒng)溫度傳感器系統(tǒng)受布線限制、系統(tǒng)容量小、不易擴(kuò)展的問題，拓展了溫度監(jiān)測(cè)的地域范圍．另外，系統(tǒng)采用成熟的Modbus總線技術(shù)和以太網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建了完整的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和遠(yuǎn)傳等功能．本課題綜合運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，用網(wǎng)絡(luò)化思想構(gòu)建了溫度傳感器系統(tǒng)，具有成本低、覆蓋面積廣、容量大、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)．本課題旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)覆蓋面積廣、易擴(kuò)展、便于安裝和維護(hù)的低成本溫度傳感器系統(tǒng)．具體需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：>建立體積小、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)且功耗低的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)。>選擇和開發(fā)功耗低、可靠性高、適應(yīng)低速率、小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。>實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線之間的連接。>設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)間的連接。同時(shí)，提供溫度數(shù)據(jù)的Web發(fā)布功能。2MSP430單片機(jī)介紹2．1MSP430單片機(jī)的用途單片機(jī)技術(shù)如今已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，在家用電器、通信產(chǎn)品等日用電子設(shè)備中都可以看見單片機(jī)，估計(jì)全世界人均有幾片單片機(jī)，此技術(shù)正在積極地影響著人類的生活。TI公司的MSP430系列是一個(gè)超低功耗類型的單片機(jī)，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。同時(shí)，該系列將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，也特別適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)；有豐富的不同型號(hào)的器件可供選擇，給設(shè)計(jì)者帶來很大的靈活性。它是一個(gè)16位的精簡指令架構(gòu)，有大量的工作寄存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，其RAM單元也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。MSP430系列是眾多單片機(jī)系列中的一顆耀眼的新星。2．2MSP430單片機(jī)的功能TI公司的MSP430系列單片機(jī)是16位超低功耗微控制器，其中包括一系列器件，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器被設(shè)計(jì)為可用電池工作，而且可以有很長的使用時(shí)間。它們具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器（DOC）可是器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6μs的時(shí)間內(nèi)激活到跳躍的工作方式。MSP430系列單片機(jī)片上集成了豐富的功能模塊。溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示和無線發(fā)送。MSP430系列單片機(jī)具有以下一些共同的特點(diǎn)?低電壓、超低功耗MSP430系列單片機(jī)，在1.8-3.6V電壓、1MHZ的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流因不同的工作模式而不同；具有16個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒只要6μs，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可將CPU置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。?強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)，為16為RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7中源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在8MHZ晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125μs。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。?系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。?豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。他們風(fēng)別是以下一些外圍模塊的不同組合：看門狗（WDT）定時(shí)器A（Timer-A）定時(shí)器B（Timer-B）比較器串口0、1（USART0、1）硬件乘法器液晶驅(qū)動(dòng)器10位/12位ADC14位ADC端口0（P0）端口1-6（P1_P6）基本定時(shí)器（BasicTimer）以上外圍模塊再加上多種存儲(chǔ)器方式就構(gòu)成了不同型號(hào)的器件。其中，看門狗可以使程序時(shí)空是迅速復(fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)為A/D轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲/比較功能，可用于時(shí)間技術(shù)、時(shí)序發(fā)生、PMW等；有的器件更具有兩個(gè)串口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多可達(dá)200Kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)120段。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。?方便高效的開發(fā)環(huán)境目前MSP430系列有4種類型器件：OTP型、FLASH型、EPROM型和ROM型。這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于OTP型和ROM型的器件是用相對(duì)應(yīng)的EPROM型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；而對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG就扣讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。2．3MSP430F2274的介紹MSP430F2274單片機(jī)是由TI公司生產(chǎn)一種16位的單片機(jī)，綜合比較，本設(shè)計(jì)將采用之。其內(nèi)部帶有10位A/D,1.8～3.6V的工作電壓,5種低功耗省電模式,從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)間不超過1μs,片內(nèi)高頻時(shí)鐘源,頻率高達(dá)16MHZ,內(nèi)部還有低功耗低頻振蕩器VLO,32KHZ晶振模塊。除此,其還具有非常強(qiáng)的處理能力,非常適合一些對(duì)處理要求比較高的嵌入式系統(tǒng)。因此,MSP430F2274單片機(jī)在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。2．3．1MSP430F2274的16位CPUMSP430F2274系列采用的是“馮-諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM和RAM在同一地址空間，使用一組地址數(shù)據(jù)總線。中央處理單元CPU采用了精簡的、高透明的、高效率的正交設(shè)計(jì)。他包括：一個(gè)16位的ALU、16個(gè)寄存器和一個(gè)指令控制單元。16個(gè)寄存器中有4個(gè)為特殊用途，他們分別是：程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、狀態(tài)寄存器和常數(shù)發(fā)生器。程序流程通過程序計(jì)數(shù)器控制，而呈現(xiàn)執(zhí)行的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)體現(xiàn)在程序狀態(tài)字中那個(gè)。表1.1對(duì)16個(gè)寄存器做了簡要的說明。1.程序計(jì)數(shù)器PCMSP430的指令根據(jù)其操作數(shù)的多少，其指令長度分別為1、2或3字長。程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容總是偶數(shù)，指向偶字節(jié)地址。其內(nèi)容在調(diào)試程序是，可通過寄存器窗口查看。2.堆棧指針SP系統(tǒng)堆棧在系統(tǒng)調(diào)用子程序或進(jìn)入中斷服務(wù)程序是，保護(hù)程序計(jì)數(shù)器PC。堆棧指針SP總是指向堆棧的頂部。系統(tǒng)在將數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí)，總是先將堆棧指針SP的值減2，然后再將數(shù)據(jù)送到SP所指的RAM單元。講數(shù)據(jù)從堆棧中彈出正好相反：先將數(shù)據(jù)從SP所指示的內(nèi)存單元取出，再將SP的值加2.堆棧的操作有兩種情況：隱式與顯式。系統(tǒng)對(duì)堆棧的操作為隱式，主要為自動(dòng)保存PC的數(shù)值。在用戶程序中那個(gè)也可對(duì)SP操作。簡寫功能ROR1R2R3R4…R15程序計(jì)數(shù)器PC，指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址堆棧指針SP，指向堆棧的棧頂狀態(tài)寄存器SR/常數(shù)發(fā)生器CGI常數(shù)發(fā)生器CG2通用工作寄存器R4……通用工作寄存器R15表2.1MSP430F2274的CPU的16個(gè)寄存器3.狀態(tài)寄存器SR狀態(tài)寄存器記錄程序執(zhí)行過程中的現(xiàn)場(chǎng)情況，在程序設(shè)計(jì)中有相當(dāng)重要的地位。MSP430F2274的狀態(tài)幾寸器為16位，目前只用到前9位，其結(jié)構(gòu)如下：15～9876543210保留VSCG1SCG0OscOffCPUOFFGIENZC位0C進(jìn)位標(biāo)志當(dāng)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)置位，否則復(fù)位。位1Z零標(biāo)志當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為0時(shí)置位，否則復(fù)位。位2N負(fù)標(biāo)志當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為負(fù)時(shí)置位，否則復(fù)位。位3GIE中斷控制位置位允許中斷，復(fù)位禁止所有的中斷。該位中斷復(fù)位，RETI指令置位，也可以用哪個(gè)指令改變。位4CPUOFFCPU控制位置位使CPU進(jìn)入關(guān)閉模式，此時(shí)除了RAM內(nèi)容、端口、寄存器保持外，CPU處于停止?fàn)顟B(tài)，可用所有允許的中斷將CPU從此狀態(tài)喚醒。位5OscOff晶振控制位置位使晶體振蕩器處于停止?fàn)顟B(tài)，CPU從此狀態(tài)喚醒；只有在GIE置位的情況下，由外部中斷或NMI喚醒。要設(shè)置OscOff=1，必須同時(shí)設(shè)置CPUOFF=1.位6SCG0此位與位7一起控制系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的4中活動(dòng)狀態(tài)。位7SCG1此位與位6一起控制系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的4中活動(dòng)狀態(tài)。位8V當(dāng)算術(shù)運(yùn)算結(jié)果超出有符號(hào)數(shù)范圍時(shí)置位。4.常數(shù)發(fā)生器CG1和CG2在16個(gè)寄存器中R2和R3位常數(shù)發(fā)生器，利用CPU的27調(diào)內(nèi)核指令配合常數(shù)發(fā)生器可以生成一些見解高效的模擬指令。表1.2列出了CG1和CG2可以產(chǎn)生的常數(shù)。寄存器As常數(shù)說明R2R2R2R2R3R3R3R30001101100011011--(0)00004H00008H0000H00001H0002H0FFFFH寄存器模式絕對(duì)尋址模式+4，位處理+8，位處理字處理+1+2，位處理-1，字處理表2.2CG1和CG2可以產(chǎn)生的常數(shù)5.通用工作寄存器R4～R15為通用工作寄存器。MSP430F2274的通用寄存器是430活動(dòng)的打不風(fēng)場(chǎng)所，可以執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，也可以作為臨時(shí)的暫存單元；可以字操作，也可以字節(jié)操作。MSP430F2274指令的尋址方式包括立即尋址、索引尋址和絕對(duì)尋址。這4種尋址方式均可用于源操作數(shù)，而索引、符號(hào)和絕對(duì)尋址方式只可以用于目的操作數(shù)。源操作數(shù)和目的操作數(shù)的指令集需占用代碼存儲(chǔ)器中的1～3個(gè)字。2．3．2MSP430F2274的存儲(chǔ)器組織MSP430F2274的存儲(chǔ)空間采用“馮-諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM和RAM在同一地址空間，使用一組地址數(shù)據(jù)總線。存儲(chǔ)空間的組織又分大模式和小模式。在小模式時(shí)，總的尋址空間為64KB；大模式時(shí)，總的尋址空間為1MB。小模式時(shí)采用線性尋址空間；大模式時(shí)代碼可訪問16個(gè)64KB的代碼段，數(shù)據(jù)可訪問的地址空間為16個(gè)64KB的頁，即為分段分頁方式。當(dāng)存儲(chǔ)器組織為64KB或更少時(shí)采用小模式，地址空間為最低的64KB，而目前的器件都設(shè)計(jì)成小模式，最大的程序存儲(chǔ)空間60KB空間中。現(xiàn)在只討論64KB存儲(chǔ)空間的使用情況。由于采用“馮-諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM和RAM在同一地址空間，從00000H～0FFFFH這一段范圍內(nèi)從低到高分別是：特殊功能寄存器、外圍模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器和中斷向量表。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAMMSP430F2274的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器位于存儲(chǔ)器地址空間的0200H以上，這些存儲(chǔ)器一般用做數(shù)據(jù)的保存與堆棧，同時(shí)也是數(shù)據(jù)運(yùn)算的場(chǎng)所，在特殊場(chǎng)合還可以用作程序存儲(chǔ)器?？梢宰植僮?，也可以字節(jié)操作，通過指令后綴加以區(qū)別。但用做程序存儲(chǔ)器時(shí)只能字操作。在字節(jié)操作時(shí)，每8位為一個(gè)操作單位；在字操作時(shí)，每兩個(gè)字節(jié)為一個(gè)操作單位，而且對(duì)準(zhǔn)偶地址操作。MSP430F2274為FLASH型的器件，它還有信息存儲(chǔ)區(qū)，也可以當(dāng)做數(shù)據(jù)RAM使用，同時(shí)它是FLASH型，掉電后數(shù)據(jù)部丟失，可以保存重要參數(shù)。程序存儲(chǔ)器ROM程序ROM區(qū)位0FFFFH以下一定數(shù)量存儲(chǔ)空間，可存放指令代碼和數(shù)據(jù)表格。程序代碼必須偶地址尋址。程序代碼可分為3種情況：中斷向量區(qū)、用戶程序代碼及系統(tǒng)引導(dǎo)程序。中斷向量區(qū)用來說明相應(yīng)中斷的中斷服務(wù)程序首地址。2．3．3MSP430F2274的尋址模式MSP430F2274有7種尋址方式，其中源操作數(shù)可用全部的7種方式尋址，而目的操作數(shù)只有4種方式尋址。但他們都可訪問整個(gè)地址空間，由AS和AD模式位的內(nèi)容確定，這7種方式分別是：寄存器尋址模式變址尋址模式符號(hào)模式絕對(duì)尋址模式間接尋址模式間接增量尋址模式立即尋址模式2．4MSP430F2274的原理圖圖2.1為MSP430F2274的引腳圖圖2.1MSP430F2274的引腳出線圖圖2.2為MSP430F2274的結(jié)構(gòu)框圖圖2.2MSP430F2274的結(jié)構(gòu)框圖3無線射頻芯片CC2500CC2500芯片是Chipcon公司的第四代產(chǎn)品，工作頻率為2.4GHz，符合規(guī)范。CC2500基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0.18,noCMOS工藝制成。只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2500具有片上載波感應(yīng)指示燈和數(shù)字RSSI輸出，有助于提高無線鏈路的質(zhì)量。自動(dòng)消除通道評(píng)價(jià)功能(CCA)使其更適用于載波偵聽(Listen-Before-Talk,LBT)系統(tǒng)。而且CC2500?？赏ㄟ^掃描2.4GHz的數(shù)字RSS91尋找最佳工作通道.CC2500采用4x4mm20引腳QFP封裝，由于外形小，而且需要的外部元件數(shù)量少，因此適合開發(fā)小型2.4GHz產(chǎn)品。CC2500的選擇性和敏感性質(zhì)數(shù)超過了標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，且其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)500kpbs，因此可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。3．1CC2500的性能參數(shù)CC2500的主要性能參數(shù)如下所示:1)采用QLP封裝，尺寸為4X4mm;2)工作頻帶范圍:2400MHz-2483.5MHz3)數(shù)據(jù)傳輸速率為500kpbs;4)低電流消耗(RX:15.6MA).高靈敏度(-98dBm);5)所需外圍元件很少;6)抗干擾能力強(qiáng):7)采用低壓供電(2.1V-3.6V);8)與微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口);9)開發(fā)工具齊全，提供開發(fā)套件圖3.1為CC2500的引腳接線圖圖3.1CC2500引腳圖3．2CC2500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-2是CC2500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。CC2500從天線接收到射頻信號(hào)時(shí)，首先經(jīng)過低噪聲放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)，然后在正交下變頻到2MHz的中頻上，形成中頻信號(hào)的同向分量和正交分量。兩路信號(hào)經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。后續(xù)的處理，如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解擴(kuò)以及字節(jié)同步等，都是以數(shù)字信號(hào)的形式處理。當(dāng)CC2500的SFD引腳為低電平時(shí)，表示接收到了物理幀的SFD字節(jié).接收到的數(shù)據(jù)存放在128字節(jié)的接收FIFO緩存區(qū)中，幀的CRC校驗(yàn)由硬件完成。CC2500的FIFO緩存區(qū)保存MAC幀的長度、MAC幀頭和MAC幀負(fù)載數(shù)據(jù)三個(gè)部分，而不保存幀校驗(yàn)碼。CC2500發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)序列、幀的起始分隔符以及幀檢驗(yàn)序列由硬件產(chǎn)生;接收數(shù)據(jù)時(shí)，這些部分只用于幀同步和CRC校驗(yàn)，而不會(huì)保存到接收FIFO緩存區(qū)。CC2500發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用直接正交上變頻?；鶐盘?hào)的同相分量和正交分量直接被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的信道上。圖3-2CC2500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖4ZigBee協(xié)議棧研究本章介紹的是基于IEEE802．15．4的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧，簡單講解ZigBee的MAC以及PHY層(即IEEE802．15．4定義)，比較詳細(xì)地講解由ZigBee聯(lián)盟所定義的ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。4．1ZigBee協(xié)議棧概述ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。圖4.1Zigbee體系結(jié)構(gòu)模型ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖3．1所示。它是基于標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對(duì)那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802．15．4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。IEEE802．15．4在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)領(lǐng)域，定義了兩個(gè)工作頻段：2．4GHz頻段和868／915MHz頻段。在IEEE802．15．4中，總共分配了27個(gè)具有3種速率的信道：在2．4GHz頻段有16個(gè)速率為250kb／s的信道；在915MHz頻段有l(wèi)O個(gè)40kb／s的信道；在868MHz頻段有一個(gè)20kb／s的信道。這些信道的中心頻率按如下定義(k為信道數(shù))一個(gè)IEEE802．15．4可以根據(jù)ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。從能量、成本和效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。來自IEEE802．15．4物理層協(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位偽噪聲碼片(CHIP)，以便傳輸。然后這個(gè)連續(xù)的偽噪聲CHIP序列被調(diào)制(采用最小鍵控方式)到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控(OOPSK)調(diào)制方式。IEEE802．15．4MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過MAC層管理實(shí)體(MLME)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)訪問高層，MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。IEEE802．15．4MAC層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、保證時(shí)隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點(diǎn)接入和分離。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等，而應(yīng)用層主要用于對(duì)ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等。低速率的無限個(gè)局域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義，超幀被分為16個(gè)大小相等的時(shí)隙n別，由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖4．2所示。每個(gè)超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)分隔。信標(biāo)可用來使接入的設(shè)備同步，描述超幀結(jié)構(gòu)。任何想要在競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段(CAP)通信的設(shè)備都要使用有時(shí)隙的載波監(jiān)聽多址接入／沖突避免(CSMA／CA)機(jī)制。所有的傳輸要在下一個(gè)信標(biāo)到來之前結(jié)束。圖4.2超幀結(jié)構(gòu)從圖4．2可以看出，超幀結(jié)構(gòu)有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協(xié)調(diào)器將不與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進(jìn)入低能模式。對(duì)于低延遲應(yīng)用或需要特殊帶寬的應(yīng)用來說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為它貢獻(xiàn)出超幀的活躍部分，這部分叫做GTS。GTS由無競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段(CFP)組成，它總是緊跟著CAP，在活躍的超幀尾部。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以分配7個(gè)GTS，每個(gè)GTS可以占用一個(gè)以上的時(shí)隙，而CAP有充足的時(shí)間留給基于競(jìng)爭(zhēng)的接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或想加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。所有基于競(jìng)爭(zhēng)的傳輸都要在CFP開始前結(jié)束，同樣，GTS的傳輸也要確保在下個(gè)GTS開始前結(jié)束。4．2IEEE802.15.4通信層ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖2．1所示．IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層一一物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)，而ZigBee直接使用了IEEE802．15．4所定義的物理層和介質(zhì)接入控制子層來作為ZigBee的物理層和介質(zhì)接入控制子層。4．2．1PHY(物理)層ZigBee的通信頻率在物理層來規(guī)范，ZigBee根據(jù)不同的國家和地區(qū)為其提供不同的工作頻率范圍，ZigBee所使用的頻率范圍分別為2．4GHz和868／915MHz。因此，IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2．4GHz物理層和868／915MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率的不同。2．4GHz波段為全球統(tǒng)一、無須申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2．4GHz的物理層通過采用16相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250kb／s的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐率，縮短了通信時(shí)延和數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，所以更加省電。868MHz是歐洲附加的ISM頻段，915MHz是美國附加的ISM頻段，工作在這兩個(gè)頻段上的ZigBee設(shè)備避開了來自2．4GHz頻段中其他無線通信設(shè)備和家用電器的無線電干擾。868MHz上的傳輸速率為20kb／s，915MHz上的傳輸速率則是40kb／s。物理層提供兩個(gè)服務(wù)：PHY數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY管理服務(wù)，PHY管理服務(wù)和物理層管理實(shí)體(PLME)接口。PHY數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無線信道上接收和發(fā)送PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs)，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：無線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活；在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(cè)(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI)，用在接收的數(shù)據(jù)包上；清除信道評(píng)估(CCA)；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；IEEE在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。在2．4GHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb／s，采用的是16相位正交調(diào)制技術(shù)(O--QPSK)：在915MHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為40kb／s；采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)；在868MHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb／s，采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從MAC層到物理層無線信道的接口。從圖4．4可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。通過這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PD—SAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；通過物理層管理實(shí)體(PLME)服務(wù)的接入點(diǎn)(PLME—SAP)為物理層管理提供服務(wù)。圖4.4物理層參考模型圖4．5給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。ZigBee物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)分隔符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示凈荷部分的長度，物理層凈荷部分含有MAC層數(shù)據(jù)包，凈荷部分的最大長度是127字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)攜帶MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變量（127字節(jié)）前導(dǎo)碼幀起始分隔符幀長度（7bit）預(yù)留位（1bit）PSDU同步頭PHY幀頭PHY凈載圖4.5PHY幀結(jié)構(gòu)4．2．2MAC(介質(zhì)接入控制子層)在IEEE802系列中，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分為MAC和LLC兩個(gè)子層。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián))和非連接(取消關(guān)聯(lián))的服務(wù)。IEEE802．15．4MAC子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和斷開，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗(yàn)與快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ)，預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理等。MAC子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀：支持多個(gè)域網(wǎng)(PAN)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；為設(shè)備的安全提供支持；與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步；信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入／沖突避免(CSMA／CA)機(jī)制；處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制：在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。MAC層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個(gè)接口。MAC層包括一個(gè)稱之為MLME的管理實(shí)體，該實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用MAC層管理功能，該實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù)MAC層固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫。從圖3．6可以看出，在MAC層兩個(gè)不同服務(wù)的接入點(diǎn)提供了兩個(gè)不同的MAC層服務(wù)：MAC層通過它的公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；MAC層通過它的管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。圖4．7給出了MAC子層的數(shù)據(jù)包格式。MAC子層數(shù)據(jù)包由MAC子層幀頭(MHR，MACHeader)、MAC子層載荷和MAC子層幀尾(MFR，MACFooter)組成。MAC子層幀頭由2字節(jié)的幀控制域、1字節(jié)的幀序號(hào)域和最多20字節(jié)的地址域組成。幀控制域指明了MAC幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制信息；幀序號(hào)域包含了發(fā)送方對(duì)幀的順序編號(hào)，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn)MAC子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是64位的IEEEMAC地址或者8位的ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址。圖4.6MAC子層參考模型圖4.7MAC幀格式MAC子層載荷，其長度可變，不同的幀類型包含不同的信息，如MAC子層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)：但整個(gè),MAC幀的長度應(yīng)該小于127字節(jié)，其內(nèi)容取決于幀類型。IEEE802．15．4的MAC子層定義了4種幀類型：廣播(信標(biāo))幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。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)備間與MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。MAC子層幀尾含有采用16位CRC算法計(jì)算出來的幀校驗(yàn)序列(FCS)，用于接收方判斷該數(shù)據(jù)包是否正確，從而決定是否采用ARQ進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)；數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認(rèn)，如果需要，并且已經(jīng)通過了CRC檢驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀，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，這就是MAC子層可靠傳輸?shù)幕具^程。IEEE802．15．4MAC子層定義了兩種基本的信道接入方法，分別用于兩種ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別是基于中心控制的星狀網(wǎng)絡(luò)和基于對(duì)等操作的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，中心設(shè)備承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)、時(shí)隙的劃分、信道接入控制和專用帶寬分配等功能，其余設(shè)備根據(jù)中心設(shè)備的廣播信息來決定如何接入和使用無線信道。這是一種時(shí)隙化的載波偵聽／沖突避免(CSMA／CA)信道接入算法。在對(duì)等網(wǎng)狀方式的網(wǎng)絡(luò)中，沒有中心設(shè)備的控制，也沒有廣播信道和廣播信息，而是使用標(biāo)準(zhǔn)的CSMA／CA信道接入算法接入網(wǎng)絡(luò)。4．3ZigBee網(wǎng)絡(luò)層ZigBee協(xié)議棧是在IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，我們知道IEEE802．15．4僅定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE802．15．4的PHY和MAC層以及ZigBee協(xié)議棧層：網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)管理。從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接(例如，一個(gè)帶開關(guān)組件的設(shè)備與帶一個(gè)或多個(gè)燈組件的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信，目的是將這些燈點(diǎn)亮)。端點(diǎn)之間的通信是通過稱之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)接口都能接收(用于輸入)或發(fā)送(用于輸出)簇格式的數(shù)據(jù)。一共有兩個(gè)特殊的端點(diǎn)，即端點(diǎn)0和端點(diǎn)255。端點(diǎn)0用于整個(gè)ZigBee設(shè)備的配置和管理，應(yīng)用程序可以通過端點(diǎn)0與ZigBee協(xié)議棧的其他層通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些層的初始化和配置，附屬在端點(diǎn)0的對(duì)象被稱為ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)；端點(diǎn)255用于向所有端點(diǎn)的廣播。端點(diǎn)241，254是預(yù)留端點(diǎn)。所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層(APS)提供的服務(wù)。APS通過網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，所以能夠適配不同但兼容的設(shè)備，比如帶燈的開關(guān)。APS使用網(wǎng)絡(luò)層(NWK)提供的服務(wù)。NWK負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng)、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層可以通過ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置和訪問。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧規(guī)定的所有功能和支持，我們很容易推測(cè)ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)需要用到設(shè)備中的大量存儲(chǔ)器資源。ZigBee規(guī)范定義了三種類型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求。ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他活動(dòng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備，ZigBee網(wǎng)格或樹狀網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。ZigBee終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其他需要與其通信的設(shè)備，它的存儲(chǔ)器容量要求最小。三種設(shè)備根據(jù)功能完整性分為全功能(FFD)和減功能(RFD)設(shè)備。其中全功能設(shè)備可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，而減功能設(shè)備只能用于終端設(shè)備。一個(gè)全功能設(shè)備可與多個(gè)RFD設(shè)備或多個(gè)其他FFD設(shè)備通信，而一個(gè)減功能設(shè)備只能與一個(gè)FFD通信。網(wǎng)絡(luò)的特定結(jié)構(gòu)會(huì)戲劇性地影響設(shè)備所需的資源。NWK支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行菭?、?串)狀和網(wǎng)格狀。在這幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，星狀網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的要求最低。4．3．1網(wǎng)絡(luò)層概況ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必需的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體，如圖2．8所示。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(NIB)的維護(hù)和管理。網(wǎng)絡(luò)層通過MCPS—SAP和MLME—SAP接口為MAC層提供接口，通過NLDE-SAP與NLME—SAP接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與協(xié)議棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供如下服務(wù)：配置一個(gè)新設(shè)備：為操作按照要求充分布局協(xié)議棧的能力。布局選擇包括作為ZigBee協(xié)調(diào)器開始操作或加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)；開始一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：有能力建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)；加入和離開網(wǎng)絡(luò)：有能力加入或離開網(wǎng)絡(luò)以及為對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器請(qǐng)求設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的能力；尋址：ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力；鄰居友備發(fā)現(xiàn)j有能力發(fā)現(xiàn)、記錄和報(bào)告設(shè)備一跳鄰居的信息：路由發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)并記錄通過網(wǎng)絡(luò)的路徑，通過這些路徑，消息被有效路由的能力；接收控N-設(shè)備控制接收機(jī)何時(shí)被激活、激活多久及使能MAC子層同步或直接接收的能力；網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)MAC管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)MAC命令部分子層服務(wù)接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)圖4.8網(wǎng)絡(luò)層參考模型網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供如下服務(wù)：生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)：NLDE能夠通過添加合適的協(xié)議頭從應(yīng)用支持子層生成NPDU；指定拓?fù)鋫鬏斅酚伞LDE應(yīng)能夠送NPDU到一個(gè)適當(dāng)?shù)难b置，此設(shè)備是通信的最終目標(biāo)或是通信鏈路下一步的最后目的；4．3．2網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如圖4．9所示。2字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變量幀控制目的地址來源地址半徑域序列號(hào)Frame凈載路由域NWK頭NWK凈載圖4.9網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包(幀)格式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)結(jié)構(gòu)(幀結(jié)構(gòu))的基本組成部分是：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；．網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷，包含幀類型所指定的信息。圖4．9表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域，但網(wǎng)絡(luò)層的幀的幀頭域，還是按照固定的順序出現(xiàn)。有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中定義了兩種類型的網(wǎng)絡(luò)層幀，它們分別是數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。幀控制域是16位長，包含定義幀類型的信息、尋址和序列域和其它控制標(biāo)識(shí)的信息，其格式如圖4．10所示，可以看到幀控制域包括幀類型、協(xié)議版本、發(fā)現(xiàn)路由、安全和保留位。幀類型有數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層命令和保留位；協(xié)議版本為ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的版本號(hào)；安全域?yàn)樵搸欠窬哂芯W(wǎng)絡(luò)層安全操作能力。位：0-12—56—78910—15幀類型協(xié)議版本發(fā)現(xiàn)路由預(yù)留安全預(yù)留圖4.10幀控制域的格式4．3．3網(wǎng)絡(luò)層功能介紹ZigBee設(shè)備在工作時(shí)，各種不同的任務(wù)在不同的層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)，完成所要執(zhí)行的任務(wù)。每一層的服務(wù)主要完成兩種功能：根據(jù)其下層服務(wù)要求，為上層提供相應(yīng)的服務(wù)：根據(jù)上層的服務(wù)要求，對(duì)下層提供相應(yīng)的服務(wù)。各項(xiàng)服務(wù)通過服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)事件由服務(wù)原語組成，它將在一個(gè)用戶的某一層，通過該層的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)與建立對(duì)等連接的用戶的相同層之間通信。服務(wù)原語通過提供一種特定的服務(wù)來傳輸必需的信息。這些服務(wù)原語是一個(gè)抽象的概念，它們僅僅指出提供的服務(wù)內(nèi)容，而沒有指出由誰來提供這些服務(wù)。它的定義與其他任何接口的實(shí)現(xiàn)無關(guān)。由代表其特點(diǎn)的服務(wù)原語和參數(shù)的描述來指定一種服務(wù)。一種服務(wù)可能有一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的原語，這些原語構(gòu)成了與具體服務(wù)相關(guān)的執(zhí)行命令。每種服務(wù)原語提供服務(wù)時(shí)，根據(jù)具體的服務(wù)類型，可能不帶有傳輸信息，也可能帶有多個(gè)傳輸必需的信息參數(shù)。原語通常分為如下4種類型(如下原語環(huán)境設(shè)置為一個(gè)具有1個(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)對(duì)等用戶及其與J層或子層對(duì)等協(xié)議實(shí)體建立連接的服務(wù)原語)：Request：請(qǐng)求原語從第1l用戶發(fā)送到它的第J層，請(qǐng)求服務(wù)開始。Indication：指示原語從第1l用戶的第J層向第12用戶發(fā)送，指出對(duì)于第12用戶有重要意義的內(nèi)部J層的事件。該事件可能與一個(gè)遙遠(yuǎn)的服務(wù)請(qǐng)求有關(guān)，或者可能是由一個(gè)J層的內(nèi)部事件引起的。Response：響應(yīng)原語從第12用戶向它的第J層發(fā)送，用來表示用戶執(zhí)行上一條原語調(diào)用過程的響應(yīng)。Confirm：確認(rèn)原語由第J層向第11用戶發(fā)送，用來傳遞一個(gè)或多個(gè)前面服務(wù)請(qǐng)求原語的執(zhí)行結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為其上層和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體的傳送管理命令提供接口。NLME所支持的NLME—SAP接口原語包括網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)形成、允許設(shè)備連接、路由器初始化、設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)的連接等。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、路由的選擇以及廣播通信。4．4ZigBee應(yīng)用層ZigBee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、．ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)包括大量的層狀元件，包含IEEE802．15．4MAC層和PHY層及ZigBee網(wǎng)絡(luò)(NWK)層。每層提供它們相應(yīng)的服務(wù)和能力。APSsubplayer的責(zé)任包括維護(hù)綁定表，這一功能使兩個(gè)設(shè)備匹配在一起(基于他們的服務(wù)和需要)及在兩個(gè)一定的設(shè)備之間發(fā)送消息。ZDO的任務(wù)包括在網(wǎng)絡(luò)層定義設(shè)備的功能。比如ZigBee協(xié)調(diào)器或末端設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層發(fā)現(xiàn)設(shè)備和確定他們應(yīng)提供哪種應(yīng)用服務(wù)。發(fā)起和／或響應(yīng)綁定請(qǐng)求并在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立一個(gè)安全關(guān)系。所謂綁定就是基于兩臺(tái)設(shè)備的服務(wù)和需求將它們匹配地連接起來。應(yīng)用支持子層為網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層之間提供一個(gè)接口。通過一系列的服務(wù)，這些服務(wù)由ZDO和定義生產(chǎn)的應(yīng)用對(duì)象使用。APSDE為二個(gè)或更多位于同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的PDUs傳輸提供數(shù)據(jù)發(fā)射服務(wù)。APSME為發(fā)現(xiàn)和綁定設(shè)備和維護(hù)管理物體數(shù)據(jù)庫即APS信息庫提供服務(wù)。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)，描述了功能的基本分類，這些功能在應(yīng)用對(duì)象設(shè)備范圍和APS間提供一個(gè)接口。ZDO放置在應(yīng)用幀框架和應(yīng)用支持子層之間，它能夠滿足執(zhí)行在ZigBee協(xié)議棧之間的普通請(qǐng)求。ZDO主要負(fù)責(zé)：初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)規(guī)范。從終端應(yīng)用組裝(集合)構(gòu)架信息以確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理和綁定管理。ZDO為應(yīng)用幀層中的應(yīng)用對(duì)象提供了公共的接口，以控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)功能。ZDO連接ZigBee協(xié)議棧較低層，在終點(diǎn)口上，利用APSDE—SAP提供數(shù)據(jù)，利用APSME—SAP傳送控制信息，公共接口為設(shè)備管理、發(fā)現(xiàn)、封裝和安全功能提供地址管理。ZigBee應(yīng)用層除了提供一些必要的函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能就是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。5系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)5．1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則低功耗：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是擺脫了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連線限制和成本問題．但是，如果沒有合適的無線電源，這一優(yōu)勢(shì)就無法體現(xiàn)出來．此外，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)來說，通常采用AAA電池或者鈕扣式電池供電，電池電量不可能很高，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗是設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵因素，因?yàn)槿绻仨殨r(shí)常更換電池(例如每周或每月)，那么相關(guān)的勞動(dòng)力成本便會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的成本。如果攜帶較多的電池，雖然可以解決電源問題，但必然會(huì)增大體積，提高成本，更加積極的方法是降低無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗．可靠性與安全性：系統(tǒng)在應(yīng)用中必須保證能夠可靠的運(yùn)行，在特定條件下對(duì)數(shù)據(jù)的安全性也有較高的要求．系統(tǒng)應(yīng)具有較高的可靠性，能確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和一致性，在系統(tǒng)故障或事故造成中斷后，具備迅速恢復(fù)的功能，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)具有一整套完整的管理策略，可以保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全．系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從硬件到軟件都必須考慮可靠性要求．在設(shè)計(jì)過程中。硬件選用先進(jìn)、成熟、可靠的產(chǎn)品，軟件也盡可能采用成熟的算法，并根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)添加可靠性機(jī)制．5．2系統(tǒng)元件概述無線溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是MSP430和CC2500結(jié)合的一個(gè)典型應(yīng)用，eZ430-RF2500是一個(gè)完全基于USB接口的MSP430開發(fā)工具，評(píng)價(jià)MSP430F2274單片機(jī)和CC25002.4GHz無線收發(fā)器的硬件與軟件測(cè)試。eZ430-RF2500平臺(tái)的特點(diǎn)如下：（實(shí)物見附圖2）1：USB式的自動(dòng)調(diào)試和編程接口，可以自動(dòng)安裝與反饋。2：21個(gè)可擴(kuò)展引腳。3：MSP430系列單片機(jī)具有高度整合，超低功耗的特點(diǎn)4：2個(gè)通用的數(shù)字I/O接口直接連到紅綠LED燈，以便視覺反饋。5：可中斷按鈕的反饋?zhàn)饔?。盡管eZ430-RF2500平臺(tái)中有兩塊一樣的板，但它們?cè)跓o線傳感器中完全是作為有獨(dú)立特點(diǎn)的獨(dú)立部件存在的。一個(gè)和USB接口連接，作為存取點(diǎn)模塊；另一個(gè)和電池板連接，作為中斷發(fā)送模塊。5．2．1存取點(diǎn)（AP）存取點(diǎn)的執(zhí)行的首要任務(wù)是傳遞啟動(dòng)信息到串行通訊端口，然后網(wǎng)絡(luò)存取點(diǎn)會(huì)像網(wǎng)絡(luò)中心一樣對(duì)系統(tǒng)初始化，初始化程序完成后，存取點(diǎn)傳送文件會(huì)顯示成功如下：存取點(diǎn)使用的是ADC10內(nèi)部溫度傳感器，初始化成功后，它會(huì)每秒鐘測(cè)試一次環(huán)境溫度，以傳送到計(jì)算機(jī)中。另外，存取點(diǎn)還可以不斷的接受新的終端設(shè)備的加入。兩種顏色的LED燈顯示了存取點(diǎn)的兩種工作狀態(tài)：紅燈亮表明正在進(jìn)行存取點(diǎn)與電腦之間的數(shù)據(jù)測(cè)量的傳送；綠燈亮表明正在進(jìn)行對(duì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接收。5．2．2終端設(shè)備（ED）啟動(dòng)后，終端設(shè)備會(huì)立即尋找對(duì)應(yīng)的存取點(diǎn)來連接，在尋找的時(shí)候，綠色和紅色的LED燈都會(huì)發(fā)光。當(dāng)搜尋到一個(gè)存取點(diǎn)時(shí)，終端設(shè)備會(huì)嘗試網(wǎng)絡(luò)連接，紅燈的閃爍則表明這項(xiàng)工作正在進(jìn)行。如果無法連接，則紅燈會(huì)一直閃爍。一旦連接到存取點(diǎn)，所有的燈會(huì)暫時(shí)熄滅，還原為缺省值，然后當(dāng)正常工作時(shí)，綠燈會(huì)一直保持發(fā)光。5．3操作模式本套設(shè)備為存取點(diǎn)和計(jì)算機(jī)串行通訊接口之間的通信提供了兩種指定的顯示方式，每一種方式又包含兩種操作模式。使用者必須每次操作時(shí)選擇其中的一個(gè)選項(xiàng)，每種模式可以通過輸入不同的字符來區(qū)分，一共有四個(gè)字符（不區(qū)分大小寫）：溫度顯示選項(xiàng)1：C–以攝氏溫標(biāo)輸出所有溫度F–以華氏溫標(biāo)輸出所有溫度數(shù)據(jù)格式顯示選項(xiàng)2：V–以擴(kuò)展的冗余模式顯示所有數(shù)據(jù)M–以最簡模式顯示所有數(shù)據(jù)5．3．1冗余模式下面是一個(gè)存取點(diǎn)輸出的冗余模式的例子：Node（節(jié)點(diǎn)）：這是中心的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符，這是每一個(gè)終端設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)后所給定的。Temp（溫度）：這是節(jié)點(diǎn)測(cè)試的溫度，根據(jù)使用者的選擇，它可以顯示為攝氏溫標(biāo)或者華氏溫標(biāo)。Battery（電池）：這是測(cè)量的給MSP430供電的電池的電壓值。Strength（強(qiáng)度）：這是由CC2500射頻測(cè)試的接收信號(hào)強(qiáng)度顯示，為了方便讀取，以百分比的形式顯示。RE：該選項(xiàng)顯示接收數(shù)據(jù)是否通過距離擴(kuò)展器。5．3．2最簡模式下面是一個(gè)存取點(diǎn)輸出的最簡模式的例子：該模式以最簡的方式傳送數(shù)據(jù)以減少頻帶寬度的使用，它最初的目的是分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用觀察器。最簡模式的輸出和冗余模式的輸出包含了同樣的內(nèi)容，順序也相同。數(shù)據(jù)之間以逗號(hào)隔開，以$字符開頭，以#字符結(jié)尾。5．4溫度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件方案研究設(shè)計(jì)針對(duì)以上問題以及系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)了溫度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件，本章將介紹以MSP430單片機(jī)為核心的電路設(shè)計(jì)，分為溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩大部分，結(jié)構(gòu)如圖5．1所示，主要包括電源模塊、存儲(chǔ)器模塊、無線傳輸模塊、液晶顯示模塊、傳感器接口、串行通信接口和輸入輸出接口等模塊．圖5.1溫度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)圖5．5傳感器節(jié)點(diǎn)主電路設(shè)計(jì)5．5．1控制器電路設(shè)計(jì)本次無線傳感器節(jié)點(diǎn)的MCU選用MSP430F2274，為了滿足低功耗的需求。MSP430單片機(jī)有3種系統(tǒng)時(shí)鐘可供選擇，分別為片內(nèi)DCO，外接低速時(shí)鐘XTI和高速時(shí)鐘XT2．為了適應(yīng)軟件開發(fā)的需要，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上單片機(jī)的Rose腳外接了100KI)電阻，以提高片內(nèi)DCO的穩(wěn)定性，同時(shí)在XTI和XT2分別連接32．768KHz低速晶體振蕩器和8MHz的高速晶體振蕩器。此外，為了能為事件記錄提供準(zhǔn)確的時(shí)間，配置了實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，芯片選用DSl302，連接到單片機(jī)的P4．O～P4．2腳。DSl302內(nèi)部的31個(gè)非易失性存儲(chǔ)器可以保存系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)．在終端節(jié)點(diǎn)上，只需要一個(gè)32．768KHz的低速晶振，MSP430F2274時(shí)鐘模塊應(yīng)用了增強(qiáng)型鎖相環(huán)技術(shù)FU^可以根據(jù)需要產(chǎn)生需要的高速時(shí)鐘．為了適應(yīng)不同應(yīng)用對(duì)外擴(kuò)存儲(chǔ)器的需要，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)了2種擴(kuò)展存儲(chǔ)器方案，分別為12C接口的EEPROM24LC256和SPI接13的Flash存儲(chǔ)器M25P80，還可以根據(jù)需要選用引腳兼容的不同容量芯片替換。節(jié)點(diǎn)上24LC256的地址為0，在其12C總線上配置了3個(gè)10K．Q的上拉電阻。為了增加設(shè)計(jì)的靈活性，M25P80沒有和CC2500共用個(gè)SPI接口，而是連接到單片機(jī)的通用I／O引腳P6．2～P6．7，由軟件實(shí)現(xiàn)SPI接口。5．5．2輸入輸出模塊設(shè)計(jì)溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的輸入輸出模塊提供節(jié)點(diǎn)配置所需的開關(guān)和按鍵功能，單片機(jī)在上電時(shí)。通過P1．2-P1．4的狀態(tài)選擇工作模式，INC和DEC為按鍵。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，MCU有較多的輸入輸出接口，為方便連接各種擴(kuò)展模塊，完成不同的輸入輸出功能，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上提供2路模擬量的輸入和2路開關(guān)量的輸出。2路模擬量通過分壓后連接到MSP430單片機(jī)的12位A／D轉(zhuǎn)換器，可以是4～20mA的電流信號(hào)，也可以是O～5V的電壓信號(hào)。2路開關(guān)量輸出PO1、P02通過光偶隔離后驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，如圖5．2所示。另外，提供了4路按鍵輸入和4路LED顯示。分別連接單片機(jī)的中斷引腳PI．4～P1．7和通用I／O引腳P5．4～P5．7．圖5．2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)輸入輸出接口圖5．6傳感器節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)上共設(shè)計(jì)了兩種電源，一種為電池供電，應(yīng)用在終端節(jié)點(diǎn)上；另一種為10～30V直流電源供電，用在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上．5．6．1終端節(jié)點(diǎn)的可控電源設(shè)計(jì)溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)AAA堿性電池供電。采用TPS60210作為電源管理芯片，為節(jié)點(diǎn)供電。TPs60210是一款低功耗的電源管理芯片，當(dāng)輸入電壓降至1．6V時(shí)仍可以輸出穩(wěn)定的3．3V電壓，具有電池欠壓報(bào)警、供電模式可控等功能，可延長電池使用壽命。電路如圖3．4所示，單片機(jī)通過sNOOzE引腳控制電源的工作模式，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式時(shí)，只要將該引腳置為低電平，即可使電源進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)電池欠壓時(shí)，LBO引腳會(huì)被拉低，單片機(jī)檢測(cè)到以后可以通過網(wǎng)絡(luò)通知管理人員更換電池。圖5．3終端節(jié)點(diǎn)電源電路5．6．2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功耗比較大，不適合用電池供電，所以它采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的lO～30v直流電源。由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)最終的供電電壓要保持在3V左右，為了適應(yīng)10～30V的寬電壓輸入范圍，采用開關(guān)電源加線性穩(wěn)壓的方式實(shí)現(xiàn)I)C／DC轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源選用比較成熟的ID4063作為電源轉(zhuǎn)換芯片，然后選用BMIll7完成3．3V穩(wěn)壓，其電路如圖5．4所示．10～30V直流電源由POWER輸入，通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后得到V，開關(guān)電源的輸出電壓的計(jì)算公式為：VⅢ5+=1．25(I+R20／R19)，這里R20和R19分別選用3K和lK，輸出電壓為5V，然后通過BMIll7穩(wěn)壓后。在V33端得到3．3V電源。在電源的輸入端接入了二極管IN4007，防止電源極性接錯(cuò)，還串聯(lián)了一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1保證本系統(tǒng)負(fù)載異常變大時(shí)不會(huì)給整個(gè)供電系統(tǒng)造成影響．另外，為提高電源抗干擾能力，輸入端并聯(lián)了一個(gè)TVs管P6KFA7A，有效降低了浪涌電壓的影響．圖5．4協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電源電路5．7傳感器節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)5．7．1無線通信模塊設(shè)計(jì)無線通信模塊主要完成溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換。在IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，各大無線芯片制造商陸續(xù)推出了支持該標(biāo)準(zhǔn)的芯片，其中比較典型的有：Freescale的MCl3192，Chipcon的CC2500，ATMEL的AT86RF230。這些芯片都具有很高的集成度，外部只需要天線、晶振、去偶電容就可以工作。以上三種芯片的性能相當(dāng)，鑒于Chipcon現(xiàn)歸TI旗下，CC2500在國內(nèi)應(yīng)用較廣，且供貨充足，本設(shè)計(jì)采用它作為無線收發(fā)模塊的RF芯片。CC2500通過四線制SPI接口和6條信號(hào)線與控制器連接，完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的工作，如圖5．5所示。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，提供2種天線方案，一種為偶極子天線，采用PCB天線，如圖3．7所示．另一種為單極子天線，如圖3．8所示。這套方案中提供了兩種天線方式，一種為PCB天線，另外一種是外接的50Q天線，可以根據(jù)需要通過焊接C18或C47選擇。另外，CC2500在硬件上集成了IEEE802．15．4的MAC層，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)，將無線收發(fā)模和主板分離，方便使用其他替換模塊，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。圖5．5CC2500與MCU的連接6系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6．1存取點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)下面的C程序包含了本平臺(tái)的存取點(diǎn)的固件設(shè)計(jì)，該編碼從系統(tǒng)初始化開始執(zhí)行，其中存取點(diǎn)和終端設(shè)備的初始化程序是一樣的。BSP_Init();if(Flash_Addr[0]==0xFF&&Flash_Addr[1]==0xFF&&Flash_Addr[2]==0xFF&&Flash_Addr[3]==0xFF){createRandomAddress();//setRandomdeviceaddressatinitialstartup}lAddr.addr[0]=Flash_Addr[0];lAddr.addr[1]=Flash_Addr[1];lAddr.addr[2]=Flash_Addr[2];lAddr.addr[3]=Flash_Addr[3];SMPL_Ioctl(IOCTL_OBJ_ADDR,IOCTL_ACT_SET,&lAddr);MCU_Init();//TransmitsplashscreenandnetworkinitnotificationTXString((char*)splash,sizeofsplash);TXString("\r\nInitializingNetwork",26);SMPL_Init(sCB);//AccessPointspecificfunctionparameter//networkinitializedTXString("Done\r\n",6);6．2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)6．2．1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件總體設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在無線溫度傳感器子系統(tǒng)中的作用有：組織ZigBee網(wǎng)絡(luò)、管理溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、向網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其控制軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖6．1所示，包括ZigBee協(xié)議棧、Modbus服務(wù)、節(jié)點(diǎn)管理三個(gè)模塊．節(jié)點(diǎn)管理Modbus服務(wù)節(jié)點(diǎn)管理Modbus服務(wù)Zigbee協(xié)議棧有線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)圖6.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件框圖系統(tǒng)中ZigBee協(xié)議棧采用的是MpZBeeV3．5，基于它的編程有固定的格式，以下為系統(tǒng)主程序的示意代碼：voidmain(void){SystemImt()；／／硬件和系統(tǒng)其他功能的初始化ZigBeelnit()；／／ZigBee協(xié)議棧初始化while(1){CLRWDT()；／／看門狗復(fù)位ZigBeeTasks(¤tPrimitive)；／／協(xié)議棧任務(wù)switch(currentPrimitive){∥包含應(yīng)用層需要處理的通信原語default：currentPrimitive=NO_PRIMITIVE；break；}ModBusAPP()；／／Modbus服務(wù)和系統(tǒng)需要完成的其他應(yīng)用程序}}主程序啟動(dòng)后首先完成系統(tǒng)和協(xié)議棧的初始化任務(wù)，之后進(jìn)入無限循環(huán)。在循環(huán)程序中完成協(xié)議棧任務(wù)和系統(tǒng)需要的其他任務(wù)。6．2．2ZigBee協(xié)議應(yīng)用對(duì)象設(shè)計(jì)MpZBeeV3.5為ZigBee應(yīng)用程序提供一個(gè)接口函數(shù)ZigbeeTasks()，處理zigBee協(xié)議棧的應(yīng)用支持子層到物理層的任務(wù)。在switch(currentPrimitive)程序段中需要包含ZigBee應(yīng)用層代碼，其ZDO部分已經(jīng)由協(xié)議棧給出，系統(tǒng)開發(fā)需要完成應(yīng)用對(duì)象的設(shè)計(jì)．本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)只需要利用ZigB∞協(xié)議棧獲取溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，不需要提供其他額外服務(wù)，所以只要設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用對(duì)象，命名為EP溫度端點(diǎn)．另外，需要為這個(gè)應(yīng)用對(duì)象編寫配置文件(Profile)以及節(jié)點(diǎn)的配置和描述信息。溫度端點(diǎn)EP負(fù)責(zé)接收和處理溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，Tempera