基于ZigBee和USB的無線傳輸平臺設(shè)計

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目: 基于ZigBee和USB的無線傳輸平臺設(shè)計 姓 名: 馬孟秋 學(xué) 院: 工學(xué)院 專 業(yè): 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級: 信息84班 學(xué) 號: 3238401 指導(dǎo)教師: 汪小旵 職稱: 教授 2012年05月 10日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）規(guī)范化要求（說明：本表供農(nóng)理工科專業(yè)學(xué)生用，以下所有紅色、藍(lán)色文字僅供參考，學(xué)生在寫作論文時請保留字體、字號，改寫或刪除掉文字，黑色文字請保留。每一頁的上方(天頭)和左側(cè)(訂口)分別留邊25mm，下方(地腳)和右側(cè)(切口)應(yīng)分別留邊20mm，裝訂線5 mm，頁眉和頁腳為5 mm。論文題目使用黑體三號字，正文使

2、用宋體小四號字，行距為單倍行距；一級標(biāo)題段前段后為0.5行，正文段前段后為0，字符間距為標(biāo)準(zhǔn)。為保證打印效果，學(xué)生在打印前，請將全文字體的顏色統(tǒng)一設(shè)置成黑色。以上說明參閱后請自行刪除，包括本文本框！）（頂頭空2行）目 錄（4號黑體，居中）摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words1引言（或緒論）11材料與方法Y1.1材料 Y1.2方法 Y1.2.1×××××Y1.2.2×××××Y1.2.3×××××Y1.2.4××&

3、#215;××Y2××Y2.1×××××Y3××× Y（略）X ×××××（正文第X章）Y致謝Y參考文獻(xiàn)Y附錄A ××××（必要時）Y附錄B ××××（必要時）Y圖1 ××××（必要時）Y圖2 ××××（必要時）Y表1 ××××（

4、必要時）Y表2 ××××（必要時）Y注：1. 目次中的內(nèi)容一般列出“章”、“節(jié)”、“條”三級標(biāo)題即可；2X、Y表示具體的阿拉伯?dāng)?shù)字；基于ZigBee和USB的無線傳輸平臺設(shè)計電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生 馬孟秋指導(dǎo)教師 汪小旵摘要：ZigBee是一種新興的專為低速率無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)而設(shè)計的低成本、低功耗的短距離無線通信協(xié)議。能夠廣泛的應(yīng)用于軍事，工業(yè)，智能家居等領(lǐng)域。但由于ZigBee技術(shù)出現(xiàn)較晚，其規(guī)范及應(yīng)用仍在不斷的完善和發(fā)展之中。本課題采用基于 USB接口的cc2531zigbee模塊及PC組成硬件平臺，在遵循IEEE802. 15. 4

5、 標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee2007 協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)模塊間點對點的數(shù)據(jù)傳輸，并進(jìn)一步利用ZigBee的組網(wǎng)特性實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而達(dá)到實時通信、遠(yuǎn)程區(qū)域控制的目地。本設(shè)計最終利用改進(jìn)的具有USB數(shù)據(jù)接口的ZigBee模塊，利用IAR Embedded Workbench 開發(fā)工具對一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程進(jìn)行實驗，然后在無線傳感網(wǎng) ZigBee 套件上實現(xiàn)了一個簡單的點對點的串口數(shù)據(jù)通信實驗。通過仿真表明，CC2531能夠較好的達(dá)到設(shè)計要求， 結(jié)果表明ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、穩(wěn)定性好、實時性強(qiáng)，完全滿足現(xiàn)代通信需求，具有較強(qiáng)的生命力。關(guān)鍵詞：USB接口；cc

6、2531；無線網(wǎng)絡(luò)Design of Wireless Communication Network Based on ZigBee with USB InterfaceStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Ma Mengqiu Tutor Wang XiaochanAbstract：ZigBee is a new wireless communication technology，focuses on the fileds of low-cost，low-power consumption，short

7、 distance，and especially for the Low-Rate Wireless Personal Area Network(LR-WPAN).it widely use in military、industry and intelligence home etc. However, due to late emergence of ZigBee technology，the specification and application is still continuous improving and developing. The subject use CC2531zi

8、gbee module based on USB interface and PC to constitute its hardware platform, on the base of IEEE802 15.4 standard and ZigBee2007 protocol, realize the point-to-point data transmission between modules, and use ZigBee network characteristics to achieve regional coverage of a wireless network further

9、, so as to achieve the purpose of real time communication and remote control of the region. Then，the paper simulates a complete ZigBee network process based on the IAR Embedded Workbench and builds a simple ZigBee Mesh network on ZigBee development board using the improved programs. And then do the

10、relevant testes on this network to verify the work done by the previous chapters. The simulation shows that the improved algorithm can better meet the design requirements，also shows that the ZigBee wireless communication network has the advantages of simple structure, convenient operation, good stab

11、ility and strong real-time performance, fully meet the needs of modern communication, has strong vitality.Key words: USB interface; CC2531; wireless network第1章 緒 論1.1 選題背景過去若干年以來，通信技術(shù)快速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點。各種網(wǎng)絡(luò)終端的出現(xiàn)、工業(yè)控制的自動化和家庭的智能化等迫切需要一種具備低成本、低距離、低功耗和組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點的無線互連標(biāo)準(zhǔn)1。隨著各種便攜式個人通信設(shè)備與家用電器設(shè)備的增加，人

12、們享受蜂窩移動通信系統(tǒng)帶來的便利的同時，對短距離的無線與移動通信又提出了新的需求，使得短距離無線通信異軍突起，包括無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙(Blue Tooth)技術(shù)、無線保真(Wi-Fi)、超寬帶(UWB)以及ZigBee技術(shù)等各種熱點技術(shù)相繼出現(xiàn)2，均展現(xiàn)出各自巨大的應(yīng)用潛力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得廣泛的關(guān)注。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，正有力地推動著低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR.WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的發(fā)展，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化

13、、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，將擁有廣闊的應(yīng)用前景。預(yù)計隨著ZigBee技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，低速率應(yīng)用將日益廣泛，在我們的生活中扮演越來越重要的角色。ZigBee的提出彌補(bǔ)了短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用研究的空白，現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)成為研究的新熱點，在不久的未來，基于ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品將會形成一個新的浪潮，勢不可擋地席卷全球，而它的發(fā)展前景將同計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)一樣融入人們生活的每一個角落，給人們的生活帶來方便和快捷3。研究ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，可為下一步應(yīng)用打下良好理論基礎(chǔ)，方便進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。本文將結(jié)合當(dāng)今的發(fā)展趨勢和ZigBee的技術(shù)特點，對ZigBee做詳細(xì)的研究和實驗開發(fā)

14、。1.2 選題的目的及意義隨著社會的發(fā)展，人們對通信技術(shù)的要求日益提高，無線通信技術(shù)在其中扮演著越來越重要的角色。其中ZigBee是最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)之一。ZigBee專注于低成本，低功耗和低速率的無線通信市場，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有的特點是：低成本、低功耗、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠度高、安全、傳輸距離遠(yuǎn)4。因此非常適用于家電和小型家電子設(shè)備的無線控制指令傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全及免執(zhí)照頻段等特點。在短距離、低功耗且傳輸速率要求不高的各種電子設(shè)備之間，完成周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反映時間數(shù)據(jù)的傳輸，比較適合采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。ZigB

15、ee網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車控制。農(nóng)業(yè)控制、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、家庭智能控制、消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置以及PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。目前大多數(shù)用戶只能借鑒于ZigBee廠商提供的開發(fā)平臺進(jìn)行應(yīng)用層程序的開發(fā)，但是運(yùn)用廠商提供的開發(fā)平臺和開發(fā)工具，用戶再選芯片型等方面會受到很大限制，極大的束縛了ZigBee產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。ZigBee作為一種如此有生命力的短距離通信技術(shù)，根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所定義的標(biāo)準(zhǔn)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議庫的封裝及模塊化，使得協(xié)議在不同的硬件平臺間，不同的應(yīng)用系統(tǒng)間的能夠便捷移植，尤其是能實現(xiàn)基于ARM微控制器的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，是一件非常有意義的事情，這將給我們解決ZigBee實際反

16、應(yīng)中的問題帶來更大的自由度和選擇性。ZigBee 協(xié)調(diào)器通常采用普通的RS232 串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，如果ZigBee 節(jié)點比較少，組網(wǎng)不太復(fù)雜，比如簡單的星形網(wǎng)絡(luò)，普通的RS232串口可以滿足數(shù)據(jù)傳輸率的要求。然而當(dāng)節(jié)點過多，組網(wǎng)十分復(fù)雜時，比如帶多個路由器的混合型網(wǎng)絡(luò)， RS232 串口將會大幅度地限制組網(wǎng)后協(xié)調(diào)器與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩y以滿足監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采樣實時性的需要。USB 接口的出現(xiàn)很好的彌補(bǔ)了系統(tǒng)的這個缺陷，使系統(tǒng)的連接更加方便了。1.3 國內(nèi)外發(fā)展概況國外對ZigBee技術(shù)的研究起步較早，研究也較成熟。ZigBee聯(lián)盟成立于2002 年8月，為了推動ZigBee技術(shù)的發(fā)展

17、，Chapcon、Ember、FreeScale、Honeywill、Motorala、Philaddrs和Samsung等公司共同成立了ZigBee聯(lián)盟，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線節(jié)點公司和開發(fā)商的加入，包括有許多IC設(shè)計、家電、通訊節(jié)點、ADDR服務(wù)提供、玩具等廠商，目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含了150多家會員。并且還有許多廠商已將ZigBee納入產(chǎn)品中。國內(nèi)ZigBee的研究起步較晚，國內(nèi)ZigBee模塊生產(chǎn)廠家一般都受芯片廠家數(shù)量等限制價格，國內(nèi)市場主要由國外儀器所占領(lǐng)，國內(nèi)未見成熟的自主研制的ZigBee產(chǎn)品，只有一些研究性和簡單應(yīng)用的文章出現(xiàn)于期刊雜志5。到目前為止， 國內(nèi)目前除了成

18、都西谷曙光數(shù)字技術(shù)有限公司，真正將ZigBee技術(shù)開發(fā)成產(chǎn)品， 并成功地用于解決幾個領(lǐng)域的實際生產(chǎn)問題而外，尚未見到其它報道。不過隨著無線技術(shù)大趨勢的發(fā)展，很多高校和研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)著手無線組網(wǎng)、無線技術(shù)應(yīng)用方面的研究。特別是與我們同常生活息息相關(guān)的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。相信隨著無線技術(shù)研究的深入，會有更多的國產(chǎn)ZigBee和其他無線產(chǎn)品投入市場。從ZigBee協(xié)議規(guī)范的研究及完善方面來看，ZigBee協(xié)議規(guī)范從推出至今， 已有大量研究者對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的時間同步、廣播問題、安全機(jī)制等進(jìn)行了研究，并且ZigBee協(xié)議正在繼續(xù)改進(jìn)并將提供更多的功能，但目前仍然存在一些問題6，主要包括以

19、下幾個方面： 從安全方面來看，由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)使用的共享無線信道存在著安全隱患，使得無線自組織網(wǎng)絡(luò)很容易受到攻擊并且很難對攻擊進(jìn)行跟蹤7。從接入控制來看，對接入公平性、多種網(wǎng)絡(luò)共存、隱藏終端、暴露終端等問題雖然已提出了很多技術(shù)和方法但是依然沒有得到完善的解決8。從能量控制來看，由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施支持，因此如何降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高能量效率，以及如何避免網(wǎng)絡(luò)分割和節(jié)點過早死亡也是研究的重要問題。目前，降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗的主要方法包括選擇性的調(diào)整節(jié)點接收器到休眠狀態(tài)、使用可調(diào)輸出功率的發(fā)送器、采用節(jié)能型路由等。就ZigBee技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，ZigBee規(guī)范及其應(yīng)用仍在不斷

20、的發(fā)展和善之中，眾多廠商、高校和研究機(jī)構(gòu)都對ZigBee技術(shù)展現(xiàn)了極大的研究興趣， 進(jìn)行了大量的研究工作。當(dāng)前研究的重點主要集中在ZigBee技術(shù)應(yīng)用研究和產(chǎn)品設(shè)計、ZigBee協(xié)議規(guī)范的研究及其完善兩個方面，主要集中在以下幾個方面： 1.ZigBee芯片和產(chǎn)品的設(shè)計：不少廠商推出了ZigBee的產(chǎn)品和全套解決方案。如Freescale公司的第三代PADDR晶片MCl322x；Helicomm公司推出的ADDR Link 1200 ZigBee開發(fā)套件；Jennic公司的JN5121/513X等。2.ZigBee技術(shù)的具體應(yīng)用研究：目前，不管國內(nèi)國外，已有大量的研究者和廠商提出了ZigBee可

21、能的應(yīng)用。如智能家居、智能公交車、嵌入式方面、傳感器網(wǎng)絡(luò)22的應(yīng)用。另外，Jennie公司的JenNET應(yīng)用在路燈控制、環(huán)境監(jiān)控、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)收集，以及ZigBee結(jié)合RFID等。3.ZigBee技術(shù)擴(kuò)展研究：ZigBee技術(shù)和其它技術(shù)的結(jié)合也是目前研究的一個熱點。如ZigBee技術(shù)和Web/GPRS構(gòu)成的無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、和Linux/DSP 構(gòu)成的無線通信系統(tǒng)等。4.和其它技術(shù)共存研究：對ZigBee網(wǎng)絡(luò)與其它無線網(wǎng)絡(luò)共存的問題也有大量的研究，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)共存、WiFi的共存與干擾問題。5.網(wǎng)絡(luò)性能評估：對ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的研究也是一大熱點，如研究ZigBee 底層的802.

22、15.4標(biāo)準(zhǔn)在競爭時期(CAP)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量消耗、ZigBee網(wǎng)絡(luò)在不同的通信參數(shù)下，網(wǎng)絡(luò)的通信量及穩(wěn)定性、在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低負(fù)載的情況下，調(diào)整其活動時期節(jié)點的能量消耗，使得網(wǎng)絡(luò)的生命延長等9。6.路由算法：ZigBee的路由是基于Ad Hoe按需距離矢量(AODV算法)路由算法，這樣ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)建立與數(shù)據(jù)傳播方式和Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)很類似。而傳統(tǒng)的AODV算法的路由開銷和路由發(fā)現(xiàn)可能會干擾網(wǎng)絡(luò)性能，特別是節(jié)點密集的網(wǎng)絡(luò)，會直接影響端到端時延和數(shù)據(jù)包的傳遞的時延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可擴(kuò)展性。最后，ZigBee技術(shù)主要被用于現(xiàn)場信息的采集和電子設(shè)備的控制，而數(shù)據(jù)

23、的收集、分析和控制命令的發(fā)送經(jīng)常需要PC機(jī)完成，所以實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和PC機(jī)的相互通信，是基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的一個關(guān)鍵技術(shù)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，外設(shè)通過USB接口與PC機(jī)通信時主流的技術(shù)。在這樣的背景下，研發(fā)一種基于ZigBee技術(shù)的USB接口，可以通過USB接口實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)相互通信，符合技術(shù)的發(fā)展方向，具有技術(shù)前瞻性和很好的應(yīng)用前景。14 本文研究內(nèi)容與工作組織本文主要對ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，包括ZigBee組網(wǎng)方案和ZigBee協(xié)議棧的研究與設(shè)計，采用基于 USB接口的CC2530 ZigBee模塊及PC組成硬件平

24、臺，在遵循IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee2007 協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)模塊間一個簡單的點對點的數(shù)據(jù)傳輸。本文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：緒論，主要研究論文的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及ZigBee的研究意義等。第二章：主要是對ZigBee技術(shù)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)和研究，分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系的功能、節(jié)點類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上深入了解了ZigBee協(xié)議棧各層的功能、各層之間的數(shù)據(jù)通信。第三章：研究帶有USB接口的ZigBee芯片CC2531，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)的注解、硬件結(jié)構(gòu)的分類等，并詳細(xì)介紹了基于CDC類的USB虛擬串口通信的實現(xiàn)。第四章：通過對ZigBee協(xié)議的學(xué)習(xí)，利用C語言

25、編譯點對點通信的程序，利用IAR軟件和CC2531的開發(fā)平臺，并在前面兩章的基礎(chǔ)上對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的點對點串口通信進(jìn)行仿真演示。第五章：總結(jié)與展望。對全文工作進(jìn)行了總結(jié)，并對以后的研究工作作出了展望。6第2章 ZigBee協(xié)議2.1 技術(shù)簡介隨著無線網(wǎng)絡(luò)市場對網(wǎng)絡(luò)的高效性及標(biāo)準(zhǔn)化的需求日益增長，ZigBee協(xié)議作為一種支持低速率、低功耗、安全可靠的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。它是目前遠(yuǎn)程監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域唯一的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，還處于不斷成長與發(fā)展中，但已顯示出強(qiáng)大的生命力11。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線通信技術(shù)， ZigBee的目標(biāo)是建立一個無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)(

26、Ubiquitous Sensor Network)，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。2.1.1 ZigBee聯(lián)盟的由來2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種提供廉價的固定、便攜或者移動設(shè)備使用的低復(fù)雜度、低成本、低速率的無線連接技術(shù)。ZigBee是這種技術(shù)的商業(yè)化命名。ZigBee來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜂群通過跳ZigBee形狀的舞蹈來分享所發(fā)現(xiàn)食物的具體的位置、距離和方向等信息。IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高

27、層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。2002年ZigBee聯(lián)盟正式成立，她由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備開發(fā)商和制造商的加入。ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層及以上層協(xié)議。2.1.2 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢IEEE802.15.4和ZigBee從一開始就被設(shè)計用來構(gòu)建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數(shù)表等節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢決定的： 1.數(shù)據(jù)傳輸可靠：ZigBee的MAC層采用CSMA/CA的碰撞避免機(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

28、數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；同時，MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等到接收方的確認(rèn)信息。同時ZigBee采用較短的幀格式(<128字節(jié))和CRC校驗機(jī)制來減少無線通信的誤碼率。2.功耗低：ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)電池支持長達(dá)6個月到兩年的試用時間。而藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。3.成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費(fèi)，目前低速低功耗的UWB芯片組價格至少為20美元，而ZigBee的價格僅為幾美分。4.網(wǎng)絡(luò)容量大：每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個節(jié)點，加上網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器可以互相連接，整

29、個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，理論上可容納65535個節(jié)點。5.安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES.128加密算法。6.有效范圍?。河行Ц采w范圍10-75米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。7.兼容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽/沖突檢測(CSMA/CA)方式進(jìn)行信道接入12。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。2.1.3 ZigBee的應(yīng)用ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信方面。

30、通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)做無線傳輸： 1.需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多； 2.要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求節(jié)點成本低： 3.要求數(shù)據(jù)傳輸可性高，安全性高； 4.節(jié)點體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊； 5.電池供電； 6.地形復(fù)雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋； 7.現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)； 8.使用現(xiàn)存移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)。9.使用GPS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動目標(biāo)的定位應(yīng)用。不遠(yuǎn)的將來，在很多領(lǐng)域里都可以看到ZigBee的身影： 1.智能家庭和樓宇自動化通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以遠(yuǎn)程控制家里的電器、門窗等；可以方便的采集

31、水、電、氣三表的遠(yuǎn)程自動抄表；通過一個ZigBee遙控器，控制所有的家電節(jié)點。未來的家庭將會有50-100個支持ZigBee的芯片安裝在電燈開關(guān)、煙火檢測器、抄表系統(tǒng)、無線報警、安保系統(tǒng)、HVAC、廚房機(jī)械中，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制服務(wù)。2.在消費(fèi)和家用自動化市場可以聯(lián)網(wǎng)的家用設(shè)備有電視、錄像機(jī)、無線耳機(jī)、PC外設(shè)、運(yùn)動與休閑器械、兒童玩具、游戲機(jī)、窗戶和窗簾及其他家用電器等。近年來，由于無線技術(shù)的靈活性和易用性、無線消費(fèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)越來越普遍，越來越重要。3.工業(yè)自動化領(lǐng)域在工業(yè)自動化領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

32、例如危險化學(xué)成分的檢測、火警的早期檢測和預(yù)報、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測和維護(hù)等。4.醫(yī)療監(jiān)控借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確且實時地監(jiān)測病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生作出快速的反應(yīng)， 特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)治療。5.農(nóng)業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機(jī)械設(shè)備，主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況。采用了傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)備來耕種。傳感器可以收集包括土壤濕度、氮濃度、PH值、降水量、溫濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經(jīng)由Zi

33、gBee網(wǎng)絡(luò)傳遞到中央控制設(shè)備供農(nóng)民決策和參考，這樣就能夠及早而準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2.2.1 功能類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設(shè)備。全功能器件擁有完整的協(xié)議功能，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和普通節(jié)點(Device)而存在。而精簡功能器件旨在實現(xiàn)最簡單的協(xié)議功能而設(shè)計，只能作為普通節(jié)點存在于網(wǎng)絡(luò)中。全功能器件可以與精簡功能器件或其他的全功能器件通信，而精

34、簡功能器件只能與全功能器件通信，精簡功能器件之間不能直接通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)要求至少有一個全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器13。2.2.2 節(jié)點類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和終端設(shè)備ZE(ZigBee End Device)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備(RFD)。協(xié)調(diào)器：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間和計

35、算能力；路由器：主要實現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在；終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。2.2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee地網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)(Star Network)，樹狀網(wǎng)(Cluster tree Network)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh Network)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2-1所示，依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在圖2-1中的C

36、表示PAN協(xié)調(diào)器，F(xiàn)表示全功能設(shè)備，R表示精簡功能設(shè)備。星形網(wǎng)(Star)是由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和一個或多個ZigBee終端節(jié)點組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(終端節(jié)點)一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。樹狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster-tree)由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點一般為RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進(jìn)行點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成數(shù)據(jù)和控

37、制信息的傳輸。ZigBee協(xié)調(diào)器比網(wǎng)絡(luò)中的其它路由器具有更強(qiáng)人的處理能力和存儲空間。樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由若干個FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連(如圖2-1中箭頭所示)，但它們中也有一個會被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀路由的。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

38、包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節(jié)點之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涞膬?yōu)點是減少了消息延時，增強(qiáng)了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。FRFRFRRCFRFCFFFRFRRCFFFFFRRR星型樹狀網(wǎng)狀圖2-1 星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2.4 工作模式ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)(Beaeon)模式和非信標(biāo)(Non-beaeon)模式兩種。信標(biāo)模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式只允許ZE進(jìn)行周期性休眠，ZC和所有ZR設(shè)備長期處于工作狀態(tài)。在信標(biāo)模

39、式下，ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時間(一般在15ms-4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。非信標(biāo)模式下，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點為ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，ZE主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實現(xiàn)ZE的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點需要為自己的ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。2.3 原語的概念OSI開放模型采用分層結(jié)構(gòu)來簡化和

40、隔離各層的功能。每一層的服務(wù)是建立在它下層的服務(wù)之上，來為它的上層或者子層里的用戶提供服務(wù)的。N層是服務(wù)提供者，N+1層是服務(wù)用戶。N+1層和N層之間的信息流是由一些離散的、瞬間的事件模擬的，每個事件都是通過傳遞服務(wù)原語來實現(xiàn)的，通過SAP將服務(wù)原語從一層傳遞到另一層。服務(wù)原語是個抽象的概念，我們可以通過描述服務(wù)原語和其特征參數(shù)來制定某個服務(wù)。一個服務(wù)可能包含一個或者多個相關(guān)的原語，這些原語組成了與特定服務(wù)相關(guān)的行為，每個服務(wù)原語可能包含零個或者多個參數(shù)，這些參數(shù)帶有要求提供服務(wù)的信息。ZigBee規(guī)范的各種不同的任務(wù)在不同的層次上執(zhí)行，上層通過下層提供的功能完成所要執(zhí)行的任務(wù)。因此對于一個特

41、定的層來說要完成兩方面的功能，向上層提供服務(wù)以及從下層調(diào)用服務(wù)。ZigBee上下層間的交互就是通過服務(wù)原語來實現(xiàn)的14。24 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)2.4.1 ZigBee協(xié)議棧簡介ZigBee協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)采用的是OSI的分層結(jié)構(gòu)，其中物理層(PHY)、媒體接入層(MAC)和鏈路層(LLC)由IEEE802154工作小組制定，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層則由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)各層的分布如圖21 圖2-2 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)在ZigBee協(xié)議棧中，其結(jié)構(gòu)包含一系列的層，每一層通過使用下層提供的服務(wù)完成自己的功能，同時向上層提供服務(wù)。層與層之間通過服務(wù)訪問點SAP(Ser

42、vice Access Point)連接，每一層都可以通過本層與其下層相連的SAP調(diào)用下層為本層提供服務(wù)，同時通過本層與上層相連的SAP為上層提供服務(wù)。這些服務(wù)是設(shè)備中的實體通過發(fā)送服務(wù)原語來實現(xiàn)的，其中實體包括數(shù)據(jù)實體(Data-Entity, DE)和管理實體(Management Entity, ME)兩種：數(shù)據(jù)實體向上層提供常規(guī)的數(shù)據(jù)服務(wù)而管理實體提供向上層提供訪問數(shù)據(jù)內(nèi)部層的參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)等機(jī)制。所謂服務(wù)原語是代表響應(yīng)服務(wù)的符號和參數(shù)的一種格式化、規(guī)范化的表示，它與服務(wù)的具體實現(xiàn)方式無關(guān)。原語的書寫形式包含了服務(wù)的實體、原語的功能及原語的類型等，如：掃描原語MLMESCANre

43、quest；關(guān)聯(lián)確認(rèn)原語：MLMEASSOCIATEconfirm。另外，原語都是發(fā)送給服務(wù)實體相鄰層的層與層之間的通信原語可以分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖2。 圖2-3 層與層的通信原語示意圖其中：Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務(wù)；Indication：指示原語，本層發(fā)給上層用來指示本層的某一內(nèi)部事件；Response：響應(yīng)原語，上層用于響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語；Confirm：確認(rèn)原語，本層用于響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。2.4.2 ZigBee與IEEE802.15.4的聯(lián)系人們通常會把ZigBee與IEEE802.15.4等同起來，其實兩者之間還是有所區(qū)別的：1.

44、ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定義的功能強(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點；2. ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件；3. ZigBee基于IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時ZigBee聯(lián)盟通過與IEEE802.15.4緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案；4. IEEE802.15.4工作組只要負(fù)責(zé)制定物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。下圖示意了ZigBee 的結(jié)構(gòu)和分工第3章 ZigBee芯片CC2531USB接口由于其方便靈活、獨(dú)立供電的特點，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中。采用T1公司的第二代SOC芯片CC

45、2531，實現(xiàn)了基于USB接口的虛擬串口通信，并以溫度監(jiān)測系統(tǒng)將其引入到實際工程中來。3.1 CC2531CC2531是TI公司推出的符合24 GHz IEEE 802154標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達(dá)45 dBm，外部元件很少；結(jié)合RF收發(fā)器與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護(hù)能力；同時具有多種運(yùn)行模式，而且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時間短，使低能耗特性能夠進(jìn)一步保證。CC2531提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及一

46、套廣泛的外設(shè)集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設(shè)備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。3.2 CDC類簡介    在USB的文件中，定義了將某種相同屬性的設(shè)備整合在一起的群體，稱之為類。這樣做可以同時開發(fā)該類的驅(qū)動程序，提高了驅(qū)動程序的復(fù)用性。CDC類是通信設(shè)備類的簡稱，是專為各種通信設(shè)備定義的子類。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，CDC類可以分成以下不同的模型：POS

47、T(傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù))模型、ISDN模型和Networking(網(wǎng)絡(luò))模型。其中，POST模型又可以分為DL(直接線控制)模型、AC(抽象控制)模型、Datapump(數(shù)據(jù)泵)模型、T(電話)模型。本文的USB接口開發(fā)就屬于POST模型下的AC模型。圖3-1 CDC類的結(jié)構(gòu)    此外，CDC又由Communication Interface Class(通信接口類)和Data Interface Class(數(shù)據(jù)接口類)組成。通信接口類主要負(fù)責(zé)設(shè)備的管理和控制，數(shù)據(jù)接口類則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。不同的模型端點需求不同，對系統(tǒng)所用的抽象控制模型來說，通信接口類需要一個控制

48、端點(Control Endpoint)來管理設(shè)備的枚舉、虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類型的設(shè)置。數(shù)據(jù)接口類的需求相對比較靈活，本設(shè)計中采用一個塊傳輸IN端點和一個等時傳輸OUT端點。3.3 CC2531芯片內(nèi)部簡介    CC2531是TI公司針對24 GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBeeIEEE 802154協(xié)議的片上集成芯片。    其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、256 KB Flash和8 KB RAM；具有1個USB全速接口、2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配

49、置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器；硬件支持CSMA-CA、數(shù)字化的RSSILQI和強(qiáng)大的DMA功能，具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。    CC2531全速USB接口的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特性如下：圖3-2 USB接口結(jié)構(gòu)圖 全速操作(12 Mbps)；    6個端口，端口0為控制端點，其余5個為數(shù)據(jù)傳輸端點；    具有1 KB SRAM(FIFO)存儲USB數(shù)據(jù)包；    端口支持的數(shù)據(jù)包大小為8512字節(jié)；    支持雙

50、緩沖傳輸模式。    端點0(EP0)為控制端點，枚舉階段的通信都是通過該端口完成的。端點15(EP15)可以通過SFR配置為等時、塊、中斷3種傳輸方式。其中塊傳輸端點和中斷傳輸端點對應(yīng)的USB寄存器設(shè)置是一樣的，但在固件方面具有不同的屬性。同時為了加快數(shù)據(jù)傳輸，還可以使用雙緩沖模式。在配置各個端點的屬性之前，必須通過特殊寄存器USBINDEX來選擇不同的端點，以此來選擇當(dāng)前進(jìn)行配置的端點寄存器組。3.4 硬件設(shè)計節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個采集節(jié)點可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4個組成部分，各部分協(xié)同工作。電源模塊負(fù)責(zé)電壓調(diào)理，為其

51、他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負(fù)責(zé)處理節(jié)點數(shù)據(jù)和命令；無線通信模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點之間數(shù)據(jù)、命令的傳輸；數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理。 圖3-3 節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖34.1 電源模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于人們不方便或者不經(jīng)常到達(dá)的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個節(jié)點的能量分配，在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計中具有極其重要的意義。目前，比較容易實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電方式是電池供電，根據(jù)不同場合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在平常使用時具有更好的線性特性，因此可以作為系統(tǒng)能量來源的一種選擇。但是，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理，

52、限制了節(jié)點的生存期。為了維持更長的工作時間和節(jié)省成本，本設(shè)計采用5節(jié)7號鎳氫電池供電。除此之外，軟件上通過合理設(shè)置節(jié)點的發(fā)射、接收以及待機(jī)狀態(tài)，也可以有效地延長節(jié)點的工作時間。新的能源解決方法也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要研究的重要課題，太陽能或者風(fēng)力充電就是目前的研究點 。數(shù)據(jù)采集模塊需要外部提供5 V直流電壓，處理模塊及無線通信模塊需要33 V 直流電壓，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX2815和SP6201EM 一33 V將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為5 V和33 V。經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后將電源繼續(xù)劃分為數(shù)字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用，保證模擬電源、數(shù)字電源之間不互相干擾。CC2531具有

53、8路AD 接口，使用TI公司的基準(zhǔn)電壓二極管LM4040為CC2531 的8 路AD接口提供25 V的參考電壓，同時為傳感器信號調(diào)理電路提供25 V電壓。LM4040的輸出電壓穩(wěn)定性好、精度高，輸出電壓精度為05 ，其接口電路如圖所示。 圖3-4 接口電路34.2 處理模塊處理模塊是采集節(jié)點的核心部分，主要由CC2531及其外圍電路構(gòu)成，完成對采集數(shù)據(jù)的處理、存儲以及收發(fā)工作。CC2531的接口電路如圖4所示。CC2531具有21個Io 口(其中8路P0口具有AD功能)，它們分別與傳感器接口、SPI存儲器及在線仿真器連接。圖中P07接收LM4040提供的25 V基準(zhǔn)電壓；系統(tǒng)時鐘由32 MHz

54、晶振提供；系統(tǒng)休眠所用時鐘由32768 kHz無源晶振提供；復(fù)位按鍵與RESET連接，可實現(xiàn)硬件復(fù)位，初始化系統(tǒng)。圖3-5 CC2531接口電路3.5 USB通信的實現(xiàn)    CC2531的USB硬件連接很簡單，如圖3所示。采用USB總線供電方式，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片為硬件電路提供33 V電壓(圖中未畫出)。由于該設(shè)備為全速設(shè)備，因此D+信號線通過電阻上拉。圖3-6 CC2531的USB硬件連接    按照CDC類抽象控制模型對端點的需求，采用端點0作為控制端點，完成設(shè)備的枚舉和串口參數(shù)的設(shè)置。將端點2和端點4分配給數(shù)據(jù)接口子類，作為IN和OUT端點，虛擬串口的數(shù)據(jù)傳輸主要在這兩個端點進(jìn)行。具體的配置如下： currentLineCoding.dteRate=HAL_UART_BAUDRATE_115200; /波特率設(shè)置currentLineCoding.charFormat=CDC_CHAR_FORMAT_1_STOP_BIT; /1個停止位currentLineCoding.