畢業(yè)設計--基于zigbee的無線通訊裝置設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計</b></p><p>　　題 目 基于Zigbee的無線通訊裝置設計 </p><p>　　學 院 自動化與電氣工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p><b>　

2、　二〇一三年六月八日</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　生活中常常需要對環(huán)境的溫濕度有所要求，如何對環(huán)境溫濕度進行調(diào)控則是本文的重點。著眼于目前較為流行的智能家居辦公系統(tǒng)設計。本文是基于ＴＩ公司的CC2530實現(xiàn)了IEEE802.15.4（Zigbee）的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，并采用PIC16LF887為微控制器，

3、集成溫濕度信號采集器及其他外設實現(xiàn)遠程的溫濕度模擬調(diào)控。在系統(tǒng)設計上，始終堅持低功耗、小體積、節(jié)約成本的原則，并在組建的Zigbee星形網(wǎng)絡中實現(xiàn)多點溫濕度調(diào)控。詳細討論了系統(tǒng)各個部分所實現(xiàn)的作用和特性。</p><p>　　關鍵字：智能家居；Zigbee；IEEE802.15.4；無線通信；溫濕度</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p&g

4、t;<p>　　In this paper we will introduce a system ，we know Life often need to temperature and humidity of the environment requirements, how to control the temperature and humidity of the environment is the focus of

5、 this paper. Focus on the design of intelligent home furnishing office system more popular. This is the TI company's CC2530 implementation based on IEEE802.15.4 (Zigbee) protocol for wireless sensor networks, and usi

6、ng PIC16LF887 as micro controller, integrated temperature and humidity signal c</p><p>　　Key words：Intelligent home furnishing; Zigbee; IEEE802.15.4; wireless communication; temperature and humidity</p>

7、;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　目 錄III</p><p><b>　　1.前言1</b></p><

8、p>　　1.1 選題的背景和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究狀況2</p><p>　　1.3 zigbee簡介3</p><p>　　1.3.1 zigbee的由來及特點3</p><p>　　1.3.2 IEEE 802.15.44</p><p>　　1.3.3 zigbee與其他

9、無線技術(shù)的比較4</p><p>　　1.3.4 zigbee的通訊方式5</p><p><b>　　本章小結(jié)6</b></p><p>　　2.硬件電路設計7</p><p>　　2.1 微控制器的選擇7</p><p>　　2.2 無線射頻收發(fā)電路的設計8</p>

10、<p>　　2.2.1 射頻收發(fā)器功能介紹8</p><p>　　2.2.2 UART模式9</p><p>　　2.2.3 射頻收發(fā)電路的IEEE802.15.4無線數(shù)據(jù)收發(fā)10</p><p>　　2.3 溫濕度信號采集電路設計11</p><p>　　2.3.1 溫濕度信號采集電路與微控制器的連接11</p&g

11、t;<p>　　2.3.2 溫濕度信號采集電路的測量時序12</p><p>　　2.4 溫濕度控制調(diào)節(jié)電路設計13</p><p>　　2.5 顯示電路的設計14</p><p>　　2.6 按鍵電路設計15</p><p>　　2.7 雙電源供電模塊設計15</p><p><b>

12、;　　本章小結(jié)16</b></p><p>　　3.軟件部分設計17</p><p>　　3.1 軟件設計總體方案17</p><p>　　3.2 基于ZIGBEE無線通訊的組網(wǎng)17</p><p>　　3.2.1 協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡17</p><p>　　3.2.2節(jié)點加入網(wǎng)絡18</p

13、><p>　　3.3 系統(tǒng)的軟件設計19</p><p>　　3.3.1 主機設備軟件設計19</p><p>　　3.3.2 終端設備軟件設計20</p><p><b>　　本章小結(jié)22</b></p><p><b>　　結(jié) 論23</b></p>

14、;<p>　　參 考 文 獻25</p><p><b>　　致 謝27</b></p><p>　　附錄Ⅰ 主機部分與終端設備原理圖28</p><p><b>　　附錄Ⅱ 程序30</b></p><p><b>　　1.前言</b></

15、p><p>　　1.1 選題的背景和意義</p><p>　　時代在不停的發(fā)展，科技也在發(fā)生日新月異的變化，人們也開始認識到科學技術(shù)的無窮力量。對于科學的渴望和探索也是一個永無止境的過程，現(xiàn)在，人類在科學技術(shù)上的探索、發(fā)明已經(jīng)到達了一個前所未有的階段。早在2003年，無線傳感技術(shù)就已經(jīng)被美國某雜志列為的將來可能給人類帶來重大變革的十大技術(shù)之首。美國的專家們更是認定這項技術(shù)同時也會改變未來軍事戰(zhàn)

16、爭模式。事實證明，在現(xiàn)在的數(shù)字家庭、無線控制、無線通信、無線定位和移動連接等各個無線傳感網(wǎng)絡可以涉及的領域，無線傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被廣泛的使用。有增無減的頻繁的使用，一次又一次的改進和創(chuàng)新也使得無線傳感技術(shù)的生命力越發(fā)的頑強。無線傳感技術(shù)已經(jīng)徹底的改變了我們當今的現(xiàn)實生活。無線傳感網(wǎng)絡是具有很多的節(jié)點，并且綜合傳感器，數(shù)據(jù)通信，嵌入式等而成的分布式網(wǎng)絡。隨著微機系統(tǒng)的不斷完善，高集成度芯片的出現(xiàn)以及低功耗、小體積的不斷要求，無線傳感技術(shù)也有了

17、很大程度的發(fā)展，也出現(xiàn)了很多不同的類型，WIFI、藍牙、紅外通信、GPRS等都是近幾年發(fā)展起來的并得到廣泛應用[1]。但總體來說，低成本，低功耗，體積小，使用方便是目前一個不可更改的發(fā)展趨勢。在眾多無線傳感技術(shù)中，zigbee</p><p>　　當今社會，商品貿(mào)易、經(jīng)濟競爭、生活壓力，這使得人們必須在工作上投入更多的精力。而對于那些想要一心努力工作，為自己的將來謀劃一個好的前程的人來說，好的工作學習環(huán)境可以更好

18、為我們工作學習增添一份精神與動力。而作為智能裝置的中間傳輸模塊，zigbee在數(shù)據(jù)傳輸范圍、電池壽命、網(wǎng)絡容量、網(wǎng)絡拓撲、成本上等等一些方面都有著優(yōu)于其他一些無線傳輸裝置的性能。目前，在智能家居辦公系統(tǒng)方面，技術(shù)人員正不斷的開發(fā)創(chuàng)新，使得可以在成本和其智能化方面實現(xiàn)新的突破。智能控制的開發(fā)建設已經(jīng)成為了新世紀發(fā)展的一個必然趨勢。一切的發(fā)明和創(chuàng)造都是為了人類的生活更加方便和舒適[1]。本系統(tǒng)設計就是zigbee無線通訊技術(shù)，無線射頻技術(shù)的

19、一個實際應用。系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程的溫度、濕度的設定控制，并且對當前環(huán)境的實際溫濕度進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)比較后對調(diào)節(jié)電路發(fā)出命令，對環(huán)境溫濕度進行調(diào)節(jié)，為人們創(chuàng)造一個理想的工作學習環(huán)境。智能家居、辦公系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點，它不但安全，而且使用較一般系統(tǒng)更加方便，靈敏，還可以依據(jù)個人特點設計，更加的智能。在其高質(zhì)量技術(shù)的背后帶來的是人們生活質(zhì)量的提高，控制的簡便，對于創(chuàng)造一個理想、舒適的學習工作環(huán)</p><p>　　1

20、.2 國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　2001年8月Zigbee聯(lián)盟成立。2002年下半年，相繼有四大全球知名公司宣布加入Zigbee聯(lián)盟，并且一同開發(fā)Zigbee，創(chuàng)造新的通信標準，他們分別是三菱公司，飛利浦公司，摩托羅拉公司以及Invensys公司。這也是Zigbee發(fā)展史的一個具有重大意義的里程碑。</p><p>　　經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，Zigbee聯(lián)盟已經(jīng)具有一定的規(guī)模，除了先前

21、較為知名的四大公司外，現(xiàn)在Zigbee聯(lián)盟有了更多的成員，并且仍未停止它發(fā)展的步伐。它涵蓋了IP服務提供商，消費電子產(chǎn)品制造商，半導體制造商和供應商，不僅僅是自動化方面的公司，很多其他利于的公司也有參與，這里的一些公司主要研究Zigbee的物理層和控制層的協(xié)議標準 [3]。</p><p>　　目前，zigbee的市場主要有電腦外設，像無線鼠標、無線鍵盤等；一些電子設備，如TV、CD、DVD等；家庭智能控制，照明

22、、煤氣計量等；小孩子的玩具；醫(yī)療器具及護理器具；工業(yè)控制等相當廣泛的領域。</p><p>　　在國內(nèi)，zigbee的使用也十分廣泛，很多我們無法想象不到的地方都在使用zigbee技術(shù)。比如在工業(yè)上，照明燈的控制已經(jīng)不再是Zigbee的唯一應用了，它還在高速公路照明燈的工作情況檢測中得到應用。通過zigbee，工程師不用開車到高速路上去檢查照明燈是否壞掉，只要待在計算機前，通過電腦就可以清楚的知道每一個照明燈的工

23、作情況。再如，在大型停車場中，zigbee也應用在記錄汽車的進出，也可以用來傳輸人們的指紋數(shù)據(jù)來對身份進行確認。在煤礦監(jiān)測中，用來對礦井內(nèi)的安全情況實時監(jiān)測，減少了布線，更加減少了安全隱患的發(fā)生。在消費類電子方面，相比于紅外遙控，ZigBee的每一個操作都會收到相應的反饋信息，讓我們知道操作是否成功。在家庭的智能安保方面，我們也能看到Zigbee的身影，主人通過在家里各個通道上安裝Zigbee網(wǎng)絡來進行檢測，要是有人非法進入，Zigbe

24、e網(wǎng)絡會自行控制攝像等裝置對非法行動取證，并將數(shù)據(jù)告知主人以達到報警目的?，F(xiàn)在，一些公司也在針對空調(diào)等電器進行改裝，通過加入Zigbee模塊來實現(xiàn)應用無線網(wǎng)絡控制這些電器的起停。在醫(yī)療領域，通過結(jié)合各種傳感器，在Zigbee網(wǎng)絡的控制下，對</p><p>　　要是在街道的重要繁雜路段、告訴公路及一些地方裝設大量的zigbee終端設備，就可以起來路標的作用，防止外來人員迷路。對一些經(jīng)常出車的人，將其車上安裝zig

25、bee設備，應用zigbee的無線定位功能，就能清楚的知道其當前所在的位置。雖然這種定位功能由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）也可以實現(xiàn)，但是應用zigbee的新式分布式系統(tǒng)，可以更加精確，信息更加具體，而且可以避免GPRS的一些盲點。更加值得注意的是，有人預測，在將來的幾年時間里，Zigbee將出現(xiàn)在我們家庭生活的各個角落，也將徹底的改變我們的生活，在智能家居，工業(yè)控制領域，也是Zigbee發(fā)展的一個新的出發(fā)點和重點。</p>

26、<p>　　1.3 zigbee簡介</p><p>　　1.3.1 zigbee的由來及特點</p><p>　　ZigBee可以認為是IEEE802.15.4協(xié)議，根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的無線通信技術(shù)是具有傳輸距離短，能耗低，使用成本低，且數(shù)據(jù)的傳輸速率也低的雙向通信技術(shù)。它在自動控制領域和無線遠程的操作上得到很好的應用，同時，它可以加入各種外部設備，還能實現(xiàn)地理定位這一功能。從

27、Zigbee這一單詞中可以看出，Bee是蜜蜂的意思，Zigbee的開發(fā)者就是用蜜蜂來說明了這一無線傳輸技術(shù)，蜜蜂是通過自己的“舞蹈：來傳遞信息，組成了蜂群這一網(wǎng)絡，Zigbee的網(wǎng)絡與之十分相類似。下面是Zigbee這一技術(shù)的特點：</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應用;</p><p>　　功耗低:在低功耗模式下，一個5號電池就可以運

28、行一年左右，十分省電，免去了反復充電的麻煩。這是Zigbee很大的一個優(yōu)點。</p><p>　　成本低:Zigbee的使用成本很低，為使用者降低了負擔，重要的是，不像其他協(xié)議一樣，Zigbee的協(xié)議是沒有專利費的，可免費使用。</p><p>　　時延短:Zigbee的運行時延在15-30毫秒間。</p><p>　　安全:Zigbee具有的完整性檢查和鑒權(quán)功能，

29、加之加密算法，可以很好的保證其安全問題;</p><p>　　網(wǎng)絡容量大:一個Zigbee設備同時與254個設備連接是沒有問題的，保證了其網(wǎng)容量。</p><p>　　優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力:星形，網(wǎng)狀，樹形，這三種都是Zigbee的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這就保障了Zigbee的覆蓋范圍之廣。</p><p>　　有效范圍小:Zigbee的有效范圍在10-75M之間，可以實現(xiàn)家庭和

30、辦公環(huán)境的全覆蓋。依據(jù)實際情況還可有變化。</p><p>　　工作頻段靈活:Zigbee使用的工頻都為免執(zhí)照頻段，具有三個不同的頻段，根據(jù)地域各部相同[3]。</p><p>　　1.3.2 IEEE 802.15.4</p><p>　　Zigbee的MAC和PHY是以IEEE 802. 15. 4來作為介質(zhì)。IEEE 802. 15. 4 有3個工作頻段，之前

31、也已經(jīng)說明，他們分別是2.4 GHz、915 MHz、868 MHz</p><p>　　IEEE802.15.4總共規(guī)定了3個工作頻帶，上面也有介紹，就是2.4 GHz、915MHz和868MHz。每一個頻帶都有固定數(shù)量的通信通道（信道）。對應于2.4 GHz、915 MHz、868 MHz這是那個工頻帶分別給出了16個信道（11至26信道）、10個信道（1到10信道）、一個信道（0信道）。對于不同的工作頻率，

32、協(xié)議的比特率也是往往不同的。同樣對應于上述三個工作頻帶，其數(shù)據(jù)的傳輸速率分別為250 kbps、40 kbps、20 kbps。但是在實際的應用中，數(shù)據(jù)的傳輸會比以上說明的比特率要小一些，因為在數(shù)據(jù)的傳輸過程中和處理的時候，會有一些延遲。IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)包全是有頭字節(jié)和16位的CRC值組成。使用16位的CRC（循環(huán)校驗碼）來驗證幀的完整性。使用應答數(shù)據(jù)傳輸機制可以使得標志位幀都被接收應答。要是在幀的發(fā)送時置位了ACK標志但

33、是在一定時限內(nèi)沒有得到應答，則發(fā)送器會多次進行固定次數(shù)發(fā)送。要是依然沒有得到應答，則會宣布錯誤。這里要說明的是，當?shù)玫綉鸷?，不能說明幀被處理過了，只能說明MAC物理層接收了，至于接收到的幀也有可能被拋棄，固上層和應用程序還要有別的應</p><p>　　1.3.3 zigbee與其他無線技術(shù)的比較</p><p>　　在傳統(tǒng)的有線通信技術(shù)中，線路繁瑣，布線價格高，而且功能實現(xiàn)較為困難，

34、在應用中有著各種困難需要克服。目前，將無線網(wǎng)絡技術(shù)應用在生活、工業(yè)等各個領域已經(jīng)成為了一個不可阻擋的趨勢。這不僅僅是因為無線網(wǎng)絡有著較為靈活的通信模式、流動性，也可以減少人們在繁瑣的布線上的煩惱，最重要的是因為它對于智能化、自動化的特點都特別的相符。隨著無線網(wǎng)絡技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，在家庭、辦公、工業(yè)等網(wǎng)絡智能化、自動化的進程中將起到很大的推動作用。</p><p>　　現(xiàn)在。我們常見的并且應用頻繁的無線傳輸技術(shù)有Bl

35、uetooth，WIFI傳輸技術(shù)，GPRS無線技術(shù)等等。</p><p>　　表1.WiFi技術(shù)、藍牙、GPRS與zigbee技術(shù)比較</p><p>　　根據(jù)上表所示我們?nèi)菀卓闯?，ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)在家庭辦公、工業(yè)等網(wǎng)絡的通信上有著十分顯著的優(yōu)勢，它的成本低，功耗低而且可靠性高，其250kbps的傳輸率完全可以滿足在實際應用的要求和需要。因此，zigbee技術(shù)在現(xiàn)在的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著

36、十分重要的地位[7]。</p><p>　　Zigbee的網(wǎng)絡配置類型非常豐富，可以進行一對一或者一對多的星形配置，也可進行父子節(jié)點類型的樹形網(wǎng)絡配置，還可以采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲。</p><p>　　在星形網(wǎng)絡配置中，要有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，還要有一個或是多個子節(jié)點，即終端設備。協(xié)調(diào)器是星型網(wǎng)絡的中心設備，數(shù)據(jù)的傳輸和通信都要經(jīng)過協(xié)調(diào)器。子節(jié)點之間的通信也要經(jīng)過協(xié)調(diào)器。他是一個中間設備?？梢哉f，

37、協(xié)調(diào)器就是一個橋梁，一個紐帶，一個交叉路口，數(shù)據(jù)的傳輸都要經(jīng)過它，在本次設計中，用到的就是星形網(wǎng)絡配置。</p><p>　　在樹狀網(wǎng)絡拓撲中，要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，可以與協(xié)調(diào)器或者是路由器任何一個建立關系。這之中，路由器的功能是為整個網(wǎng)絡增加了節(jié)點數(shù)，將網(wǎng)絡的覆蓋范圍變得更加廣泛。樹狀網(wǎng)絡中路由器的加入，使得子節(jié)點（終端設備）在協(xié)調(diào)器的射頻范圍外同樣可以加入網(wǎng)絡。</p><p>　　網(wǎng)狀

38、網(wǎng)絡拓撲與樹狀網(wǎng)絡拓撲類似，不同的是全功能設備可以將消息發(fā)送給其他的全功能設備，這之間不需要沿著樹去傳輸。但對于一些功能不完善的設備來說就要通過父節(jié)點的連接來實現(xiàn)消息的傳輸。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲中，消息的傳輸時延得到了很大程度的減少，而且也增加了可靠性。</p><p>　　ZigBee消息格式</p><p>　　MAC報頭 目的地址和源地址是最主要信息，同時還有一些附屬的信息。但是這個消息要

39、是經(jīng)由路由轉(zhuǎn)發(fā)，則不能反映出其實際的目的地址和源地址。</p><p>　　NWK報頭 包括傳輸數(shù)據(jù)真實的目的地址和源地址。該報頭的產(chǎn)生和使用是清楚可見的。</p><p>　　APS報頭 該報頭中包含了消息的目的的端點地址、群集地址和設備概述地址。APS報頭的產(chǎn)生和使用是清楚可見的。</p><p>　　APS負載 其包含了應用程序即將需處理的ZigBee幀

40、。應用代碼要填入APS負載中。</p><p>　　1.3.4 zigbee的通訊方式</p><p>　　Zigbee的通訊方式可以分為三種，下面對其通訊方式進行簡介。 </p><p>　　廣播 廣播就是在網(wǎng)絡中任意一個節(jié)點設備發(fā)出廣播數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡中的其它的任意節(jié)點都可以收到。</p><p>　　點播 點播（就是點對點）即網(wǎng)絡中隨意一個

41、節(jié)點對另外一個已知的網(wǎng)絡地址（短地址）的節(jié)點進行數(shù)據(jù)的收發(fā)的過程。</p><p>　　組播 組播（也叫組網(wǎng)）就是在網(wǎng)絡中的全部節(jié)點設備在分完組之后，網(wǎng)絡中任何一組的隨意個節(jié)點都能夠?qū)σ粋€可知的節(jié)點進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，這個可知的節(jié)點也可以是自身所在的組[12]。</p><p>　　這三種通訊方式也就是Zigbee的數(shù)據(jù)發(fā)送形式。</p><p><b>　　

42、本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章中，主要對目前無線傳感技術(shù)的發(fā)展概況進行了闡述，并進行了分析、講述選題的背景及意義，根據(jù)設計要求，確定了Zigbee的使用，將Zigbee的國內(nèi)外發(fā)展狀況大致講述了一下，最后，又簡單的將Zigbee技術(shù)描述一番，并與其他一些無線傳感技術(shù)進行比較，分列了Zigbee的3種通訊方式。說明其在本設計中的優(yōu)勢及優(yōu)點。</p><p><

43、b>　　2.硬件電路設計</b></p><p>　　2.1 微控制器的選擇</p><p>　　本次設計微控制器選擇的是Microchip公司設計的單片機——PIC16lf887。PIC系列單片機最突出的有點就是它的低功耗，而且價格便宜，性價比較高，系列全且共用一個編譯環(huán)境，片上器件功能較全，都是由一些很基本的功能模塊按照一定的應用目的進行組合而成，支持睡眠-喚醒機制，

44、對于那些低功率要求的應用十分適合。由于它的性價比較高，目前在醫(yī)療設備、安保、各種工業(yè)儀表及軍事等領域都已將得到了廣泛的應用。</p><p>　　考慮到單片機要進行高頻的通信，以及以后的系統(tǒng)可能還可以進行功能拓展等，在設計初選擇了PIC16LF887單片機，這是一款為低功耗需求而設計的單片機，其工作電壓可以是五伏也可也是三伏，并且在這兩種電壓下都有一個很小的電流，典型的穩(wěn)態(tài)電流只小于1μA,其內(nèi)部集成度較高，內(nèi)部

45、集成各種存儲其與寄存器，掉電保護等等一系列的模塊，擁有高性能的CPU。僅有35條單字指令，大部分都是單周期指令，兩周期指令只有程序分支指令。擁有直接尋址方式，間接尋址方式和相對尋址方式， POR、PWRT和OST，可編程的代碼保護，可選擇的振蕩器，可以直接同高頻芯片通信。</p><p>　　圖2.1 PIC16LF887最小系統(tǒng)</p><p>　　2.2 無線射頻收發(fā)電路的設計<

46、/p><p>　　在本系統(tǒng)中，射頻芯片選用的是CC2530。CC2530可用于zigbee的無線數(shù)據(jù)傳輸，是真正的片上系統(tǒng)解決方案。同時，他也可用于RF4 CE應用。它可以用一個相對較低的材料成本來建立一個很廣泛的網(wǎng)絡節(jié)點[12]。具有多種閃存模式也是CC2530的一個特點之一。并且具有不同的運行模式，這也使得它十分適用與超低功耗的系統(tǒng)。在它的運行模式相互轉(zhuǎn)換的時間短，這也再次保證了它的超低能源的消耗。由于其硬件設計

47、越發(fā)越簡單，封裝小，兼?zhèn)涞凸奶攸c，應用變得越來越發(fā)廣泛。</p><p>　　2.2.1 射頻收發(fā)器功能介紹</p><p>　　CC2530的RF布局：</p><p>　　CC2530可以進行適應IEEE 802. 15. 4的RF 收發(fā)器；而且相當?shù)撵`敏，并且可以很好的排除外界的影響，在其片內(nèi)的編程輸出功率也很高；CC2530的集成度很高，采用51單片機的C

48、PU內(nèi)核，附有中斷控制器、閃存控制器、定時器、看門狗、I/O口、USB控制器、電源管理等十分齊全，只需極少的外接元件。并且一個晶振就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的相應需求。世界范圍的無線點頻率的法規(guī)都能夠適合。</p><p>　　在CC2530的幾種為低功耗而設計的模式中，在其內(nèi)核空閑的模式下并主動RX模式下，其電流為24mA。內(nèi)核空閑模式下主動的TX模式，其電流僅為29mA。在供電喚醒的模式下其電流為0.4 μA。在睡眠定時

49、運行是，即所謂的供電模式二下，電流為1 μA。在外部終端的模式時，其電流為0.4 μA。其電源對其實現(xiàn)的供電范圍在兩伏到三點六伏之間。</p><p>　　CC2530內(nèi)部微控制器：CC2530擁有優(yōu)良的性能并且具有代碼預取功能的低功耗8051 微控制器內(nèi)核。系統(tǒng)內(nèi)具有三種不同字節(jié)的可編程閃存。具有8KB RAM，擁有在各種供電方式下都可以進行數(shù)據(jù)保持的能力。并且支持硬件調(diào)試功能。</p><

50、p>　　CC2530的外設：CC2530具有非常強大的五通道的直接存儲器存取。同時還具有IEEE 802.5.4 MAC 定時器，通用定時器。IR 發(fā)生電路。帶有捕獲功能的32kHz的 睡眠定時器。CC2530的硬件可支持CSMA/CA。同時還可以支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI。帶有溫度傳感器和電池監(jiān)視器。同時擁有八路的輸入和可配置分辨率的十二位ADC。帶有AES 的安全協(xié)處理器。支持多種串行通信協(xié)議的十分強大USART擁有兩個

51、。還有看門狗定時器。</p><p>　　圖2.2.1 射頻收發(fā)模塊CC2530</p><p>　　2.2.2 UART模式</p><p>　　UART模式提供一步的串行接口。在UART模式下，其借口可以是2線制或者是具有RXD、TXD、可選RTS和CTS引腳的四線制。在UART模式下的操作有如下特點：</p><p>　　8 位或者9

52、位負載數(shù)據(jù)</p><p><b>　　可有也可無奇偶校驗</b></p><p>　　配置起始位和停止位電平</p><p>　　配置LSB 或者MSB 首先傳送</p><p><b>　　獨立收發(fā)中斷</b></p><p>　　獨立收發(fā)DMA 觸發(fā)</p>

53、<p>　　奇偶校驗和幀校驗出錯狀態(tài)</p><p>　　在UART模式下提供的是全雙工傳輸，當接收器的位同一步調(diào)時則不會對原先的發(fā)送功能有所影響。UART模式下傳送的字節(jié)內(nèi)容一共為十位，其中包含了起始位一位，最重要的數(shù)據(jù)位八位還有可選的第九位數(shù)據(jù)，也可以使奇偶校驗位加上停止位。值得注意的是，這里的數(shù)據(jù)傳送只涉及到一個字節(jié)而已。</p><p>　　UART操作是由USART

54、控制器、UART控制寄存器UxUCR以及狀態(tài)寄存器UxCSR一同控制。在x設置為1的時候，將會選擇UART模式。</p><p>　　2.2.3 射頻收發(fā)電路的IEEE802.15.4無線數(shù)據(jù)收發(fā)</p><p>　　IEEE802.15.4協(xié)議中采用了CSMA-CA機制，這樣在數(shù)據(jù)傳輸過程中不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸擁擠互相競爭的狀況。網(wǎng)絡可分為信標網(wǎng)絡和非信標網(wǎng)絡兩種。在信標模式下，超幀是按十六

55、個時隙劃分的，所以全都是采用時隙為最基本的單位在執(zhí)行退避時間，在CCA（空閑信道評估）的執(zhí)行起始于退避周期的邊界。在非信標模式下，每個節(jié)點都會相互競爭傳輸?shù)耐ǖ溃偁幍臉藴示褪巧鲜鏊v機制。在退避時間達到一定之后會立即進行空閑信道的評估，加入信道空閑則開始傳送數(shù)據(jù)，如果信道忙碌則會等待一段時間后重新執(zhí)行CCA。</p><p>　　CC2530要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，最離不開的是TXFIFO和RXFIFO這一寄

56、存器。想要進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，就要在TXFIFO寄存器中先將數(shù)據(jù)寫入，然后通過相應的無線電模塊就會自己為其添加物理層的同步頭和FCS。在通過一系列的選通命令來將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在數(shù)據(jù)接收完成之后，會產(chǎn)生一個中斷，這個中斷可以在中斷服務程序中讀取就可實現(xiàn)。下圖是一個精簡的MAC層的幀格式。</p><p>　　圖2.2.2 簡化的MAC層幀格式</p><p>　　其整個幀控制域占用一個字節(jié)，在這

57、當中，幀的類型占了2位，這兩位中，我們分別用00、01、10、11來表示同步幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和命令幀；如上圖，其確認請求占有1位，1代表當接收設備接收到數(shù)據(jù)幀和命令幀時要是對其判斷是有效幀則即向發(fā)送端反饋一個確認幀回應，而 0則代表接收設備不用反饋任何信息。在MAC層的幀格式中，幀序號只能對一個幀進行標注，這樣就可以對每一個幀進行相應的匹配（這里指確認幀、數(shù)據(jù)幀和命令幀）。像上圖所顯示，MAC層幀的源地址和目標地址都是兩個字節(jié)，這是因

58、為在IEEE802.15.4協(xié)議中對服務單元有最大長度的規(guī)定，并且現(xiàn)在我們也已經(jīng)使用了8個字節(jié)，所以，其有效的負載字節(jié)長度只能是1-119字節(jié)。</p><p>　　節(jié)點通信機制就數(shù)據(jù)的發(fā)送來說可以分為3種方式：非CSMA-CA機制、非 時 隙的CSMA-CA機制和 時隙CSMA-CA機制這三種。在數(shù)據(jù)寫入了TXFIFO之后，將啟動執(zhí)行CSP（命令選通協(xié)處理器）程序。</p><p>　　

59、無線電支持收到的幀的源地址和存儲在片上存儲器中的一個表匹配。該表長96 字節(jié)，因此可以包含多達：24 個短地址（每個2+2 字節(jié)）、12 個IEEE 擴展地址（每個8 字節(jié)）。</p><p>　　2.3 溫濕度信號采集電路設計</p><p>　　2.3.1 溫濕度信號采集電路與微控制器的連接</p><p>　　在本次設計中，溫濕度信號的采集電路我們采用高精度的

60、溫濕度傳感器SHT10。SHT10這一款溫濕度傳感器是由一個濕度反映原件和一個溫度反映原件制作成的。其中的濕度感應原件是電容性的，而溫度感應原件是一種能隙材料。并且與串行接口電路還有一個14位的A/D轉(zhuǎn)換一起連接組成。傳感器芯片在濕度的校準時，是與冷凝式的濕度計做比對，并且嚴格的要求在濕度腔室內(nèi)進行。其濕度的檢測相對來說十分準確。它的校準系數(shù)是以程序的方式存進OTP內(nèi),在校正的過程中使用。其兩線制的串行接口,使得外圍設備集成變成簡單且迅

61、速的事情。SHT10的集成使它的體積很小，并且SHT10同樣是低功耗的元器件，這也正是本次設計選擇它的主要原因之一。</p><p><b>　　SHT10的特點：</b></p><p>　　同時對相對濕度和溫度進行測量</p><p>　　全部校準，數(shù)字式輸出</p><p>　　接口簡單，兩線制，響應速度快<

62、/p><p><b>　　超低功耗，自動休眠</b></p><p><b>　　出色的長期穩(wěn)定性</b></p><p>　　超小體積（表面貼裝）</p><p>　　測濕精度，測溫精度℃（25℃）</p><p>　　這里，SHT10可以同本次設計的微控制器使用同一電源。芯片

63、在通電之后不會立即運行，要經(jīng)過一個蘇醒的過程，大約11ms。在此期間不會發(fā)送任何指令。電源引腳與地之間接上一個電容，其大小可以是100nF。主要的作用是去耦濾波。</p><p>　　SCK引腳是串行時鐘輸入引腳。SCK引腳是控制器與該芯片之間通信時的同步時鐘信號引腳，該芯片沒有最小的頻率，這是因為在其接口處具有全靜態(tài)邏輯。</p><p>　　DATA引腳是數(shù)據(jù)通信引腳。它也是三態(tài)門。微

64、控制器與溫濕度傳感芯片之間的數(shù)據(jù)通信都是經(jīng)過此引腳。在SCK串行時鐘脈沖結(jié)束時，數(shù)據(jù)線DATA引腳的狀態(tài)將會發(fā)生改變，在SCK的脈沖初始時有效。微控制器與傳感器進行基本的數(shù)據(jù)傳輸時，當串行時鐘SCK保持為1的輸出時，數(shù)據(jù)線DATA千萬不能有所改變。為了避免數(shù)據(jù)通信沖突，數(shù)據(jù)線DATA的低電平是由微控制器驅(qū)動產(chǎn)生的。在數(shù)據(jù)線DATA上接一個上拉電阻，將數(shù)據(jù)線未被驅(qū)動時的電平拉高。如果要求此時輸出一個高電平信號，則只要命令控制器相應引腳置為

65、高阻態(tài)，則通過上拉電阻作用就能輸出一個高電平信號 [16]。</p><p>　　圖2.3.1 SHT10溫濕度采集電路</p><p>　　2.3.2 溫濕度信號采集電路的測量時序</p><p>　　微控制器通過一串命令時序來發(fā)動一個數(shù)據(jù)傳輸過程。具體時序為：在串行時鐘SCK為高電平信號的時候，DATA數(shù)據(jù)線要從高電平變?yōu)榈碗娖?，然后在串行時鐘發(fā)出一個脈沖后，在

66、隨之的串行時鐘為高電平的時候，DATA再變?yōu)樵鹊母唠娖讲⒈３?。隨后的時序中要有地址位和命令位。其中地址位為3個，命令位為5個。在傳感器接收到命令并且確認無誤后，在串行時鐘的第八個脈沖結(jié)束時DATA數(shù)據(jù)線會從低電平變?yōu)楦唠娖健?lt;/p><p>　　圖2.3.2 命令時序</p><p>　　在SHT10的測量命令中，規(guī)定了用“000 00101”這樣一串數(shù)字性的命令來表示對相對濕度進行測量

67、，而用“00000011”來表示對溫度進行測量。在測量的命令發(fā)出后，接下來微控制器需要做的就是等候傳感器進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的過程大約需要20ms、80ms或者是320ms。出現(xiàn)這三個時間是因為，他們分別對應這測量位數(shù)的不同，可能是八位，十二位或者是十四位。在芯片內(nèi)部有著提供時間脈沖的晶振，所以測量的時間的長短因晶振的變化也有一定的變化。在整個過程中，控制器可以將數(shù)據(jù)線DATA的端口置為低電平，這樣就可使傳感器處于休息狀態(tài)。在傳感器打

68、算讀取數(shù)據(jù)而再度啟動時，首先要重啟串行時鐘SCK，在這之前，要等待SCK發(fā)出一個信號，說明傳感器已經(jīng)將數(shù)據(jù)準備好。隨后會傳輸共三個字節(jié)的信息，其中包含了兩個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和一個字節(jié)的校驗。為了確認這里的任一個字節(jié)的接收，控制器要將數(shù)據(jù)線置位低電平。這所有的數(shù)據(jù)都是從最高位開始，至最低位有效，確認CRC校驗字節(jié)后，通信結(jié)束。這里要是沒有用到校驗字，那么在傳感器測量完數(shù)據(jù)后通過檢測確認位是否為高來結(jié)束通信。在完成了所有工作后，傳感器進入休息

69、狀態(tài)。這樣也可減少能</p><p>　　在與傳感器進行通信時，如果出現(xiàn)斷點，則可利用復位的信號來將串口重新連接。具體的時序則是要首先維持數(shù)據(jù)線置位1，然后讓串行時鐘發(fā)出多余九個脈沖，之后需要一連串的啟動序列。但是這些工作指示回復通信，其他各個內(nèi)部器件不發(fā)生變化。</p><p>　　圖2.3.3 復位時序</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸中要通過一個CRC—8校驗保證

70、數(shù)據(jù)的完整性。為了使SHT10傳感器的發(fā)熱降到最低，傳感器的工作時間必須要控制到一定程度。</p><p>　　2.4 溫濕度控制調(diào)節(jié)電路設計</p><p>　　對于本次設計中的調(diào)節(jié)裝置，我們對溫度和濕度分別進行處理。對于濕度的調(diào)節(jié)，這里采取控制三極管的通斷，進而控制繼電器觸點的閉合/斷開而達到對電路通斷的控制，考慮到目前大部分家居、辦公環(huán)境都是相對濕度達不到要求，所以這里只進行對環(huán)境濕

71、度的增強，而具體的加濕器電路由使用者自行選取，例如，可以對普通加濕器的電源部分進行改裝，接入本設計的繼電器，則可以達到對環(huán)境濕度的調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖2.4.1 加濕器電路圖</p><p>　　對于溫度的調(diào)節(jié)，考慮到目前空調(diào)的結(jié)構(gòu)較為復雜，這里使用電機的運行模擬對環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)，當然，這里只是對高溫環(huán)境的降溫，忽略對環(huán)境升溫的過程。為了實現(xiàn)電機的控制，我們這里選用L298芯片，

72、下圖為溫度控制模塊的電路圖。如圖所示，只要將引腳6給予一個高電平，就會控制電機運行，并且可以控制施加信號的占空比來控制電機的轉(zhuǎn)速。從而達到預定要求。</p><p>　　圖2.4.2 L298溫度控制模擬模塊</p><p>　　2.5 顯示電路的設計</p><p>　　LCM12864，這是本次設計選擇的顯示器。主要對設定的溫濕度進行顯示，以便使用者可以清楚知道

73、當前設定溫濕度狀況，也可以及時的調(diào)節(jié)。LCM12864是點陣型液晶模塊。其內(nèi)部設置的漢字和字符十分豐富，完全可以達到我們本次設計的要求。借口方式較為靈活、簡單，操作指令方便，可以實現(xiàn)點陣漢字的顯示，也可完成各種圖形的顯示。最重要的是它擁有低工作電壓、低功耗的特點。功耗僅僅是普通的LED顯示的五分之一到十分之一。工作電壓在3-5.5V，可以與微控制器的其他器件共用同一電源。其通訊方式也有兩種可共選擇，可串可并。不單一。其內(nèi)置有DC-DC轉(zhuǎn)

74、換電路，無需外加負電壓。無需片選信號，從而簡化了軟件的設計。LCM12864的工作溫度在0-55℃，適合所需的工作環(huán)境。系統(tǒng)中采用串行通信模式，12864的SCLK和SID引腳分別連接微控制器的RB0和RB1。</p><p>　　圖2.5.1 LCM12864液晶顯示模塊</p><p>　　2.6 按鍵電路設計</p><p>　　鍵控模塊這要完成的功能是對終端

75、設備進行溫濕度原始數(shù)據(jù)的預設，終端設備可以根據(jù)預設數(shù)據(jù)對所在環(huán)境溫濕度進行調(diào)節(jié)，有所依據(jù)。鍵控模塊部分采用的是4*4矩陣鍵盤，16個鍵位以足夠滿足對終端設備的溫濕度設定。矩陣鍵盤電路如下圖：</p><p><b>　　圖2.6 矩陣鍵盤</b></p><p>　　矩陣鍵盤中從R0-R7分別對應連接到微控制器RD7-RD4、RD0-RD3。鍵盤掃描過程中，微控制器將

76、第一列置0其余列輸出高電平，即RD7為低電平，RD4-RD6為高電平，同時檢測低四位，看是否都為1，若都為1，則第一列沒有鍵位按下。若其中不都為1，則說明第一列有按鍵按下，再檢測具體哪一行輸入為0，則可確定出具體是哪一個按鍵被按下，如此循環(huán)掃描，并將具體按鍵賦予不同指令，便可執(zhí)行按鍵操作。</p><p>　　2.7 雙電源供電模塊設計</p><p>　　在這次系統(tǒng)設計之初，設計要求中要

77、求設計電池和220V雙供電模式，由于本次系統(tǒng)中所使用的各種芯片中不是都使用相同電壓電源，這里我們需要兩種供電電壓，微控制器采用五伏電壓，射頻芯片則用3.3 V的電壓。所以本次設計所使用的電源芯片是78L05和ASM1117-3.3這兩個芯片。利用78L05我們可以輕松的得到一個五伏電壓，這款芯片在很多場合都很適用。并且其輸出電流大，不需要另外再接入其他元件，在芯片內(nèi)部還集成有各種保護電路。這樣，就可直接將220V交流電壓變成穩(wěn)定的+5V

78、電壓。ASM 1117 - 3.3是高效的5 V-3.3 V線性穩(wěn)壓器，其工作電壓的變化可以降低到1V，器件壓差最大可保證不超過1.3V。該芯片可以精確的調(diào)整標準電壓值。而且同時還可以調(diào)整電流。系統(tǒng)中供電電池選用5V鋰電池，可以直接提供穩(wěn)定的5V電壓。下圖為電池和220V電源雙供電電路圖。</p><p>　　圖2.7 電池和220V電源雙供電電路</p><p>　　上圖中，在220V電

79、源供電的情況下，圖中VCC提供+5V電壓，3V3提供3.3V電壓，這便可以滿足系統(tǒng)的要求，讓系統(tǒng)中的各個原件運行起來。這是，由于二極管的陰極與VCC共點共電壓，電路會因二極管的特性使得二極管不會接通，5V電源便不會對系統(tǒng)供電，當斷開220V電源后，VCC處會立刻失去電壓變?yōu)?，這時，在二極管的陽極和陰極間會出現(xiàn)一個壓降，二極管導通，則VCC處便又重新獲得+5V電壓，3.3V處也會同時正常工作，這時，有5V電源對系統(tǒng)供電。這樣，便組成了2

80、20V電源和5V電池雙供電電路。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了系統(tǒng)的主要硬件組成部分，微控制器、無線收發(fā)射頻電路、溫濕度信號采集電路設計、調(diào)控模塊、設置的顯示功能電路、鍵控模塊和電池與220 V電源雙供電電路。這些模塊都選用設計要求中低功耗、性價比較高的器件構(gòu)成。其中由微控制器、射頻芯片、溫濕度采集部分和調(diào)控模塊這四

81、部分構(gòu)成終端設備，負責實際環(huán)境溫度的檢測和調(diào)控，其中終端設備的射頻主要負責接收主機設定的溫濕度調(diào)控值這一數(shù)據(jù)。由微控制器、射頻芯片、顯示模塊和鍵控模塊構(gòu)成系統(tǒng)的主機部分，主要負責對終端設備調(diào)控值的設定與監(jiān)測。</p><p><b>　　3.軟件部分設計</b></p><p>　　3.1 軟件設計總體方案</p><p>　　本次設計的系統(tǒng)由

82、終端設備和主機部分兩大部分組成，所以在軟件部分設計時，要分別對終端設備和主機部分編程。主機部分完成從按鍵輸入、設定，并且要在12864液晶顯示器上顯示出設定值，最后將設定值通過無線收發(fā)電路利用Zigbee網(wǎng)絡發(fā)送到終端設備中去。終端設備完成的是接收來自主機部分（協(xié)調(diào)器）的數(shù)據(jù)，并且同時控制溫濕度采集器SHT10對環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)采集、處理，將采集來的實時數(shù)據(jù)與主機部分發(fā)送來的設定值相比較，看是否符合要求，如果符合要求，返回，重新采集數(shù)據(jù)

83、，做到實時控制。若不符合要求，則微控制器需發(fā)出命令要求控制模塊對環(huán)境的溫濕度進行調(diào)節(jié)，直到符合要求為止方可停止控制模塊的運行。這兩個部分的運行都是一個動態(tài)的過程。在Zigbee的使用過程中，還要對其進行組網(wǎng)。進行網(wǎng)絡平臺的搭建。</p><p>　　3.2 基于ZIGBEE無線通訊的組網(wǎng)</p><p>　　要想利用Zigbee進行無線數(shù)據(jù)的傳輸，首先要建立一個相對完善的Zigbee自己的

84、網(wǎng)絡。其大致可以分為兩個步驟：首先要設置一個協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡的主干；然后是將終端子節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立關系或者設置路由器建立關系。在與協(xié)調(diào)器建立關系的過程中又可分為兩種方法，一個是通過MAC層的連接關系建立，另一個是將之前的一個協(xié)調(diào)器設置為父節(jié)點，子節(jié)點與父節(jié)點建立關系后直接入網(wǎng) [17]。</p><p>　　3.2.1 協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡</p><p>　　建立一個完整的zigbee網(wǎng)絡首先

85、就要進行協(xié)調(diào)器的初始化，而在這之前，就要通過一個節(jié)點發(fā)起建立新網(wǎng)絡的原語，發(fā)起原語的節(jié)點要具備兩個條件：第一是這個節(jié)點要具備ZigBee協(xié)調(diào)器的功能，第二是這個節(jié)點必須是沒有加入其他的網(wǎng)絡。任何不滿足這兩個條件的節(jié)點不論怎樣，在發(fā)出建立新網(wǎng)絡的原語進程中都會被網(wǎng)絡層管理實體給終止。</p><p>　　在協(xié)調(diào)器聲明建立一個網(wǎng)絡后，根據(jù)相關進程會開始運行。網(wǎng)絡成會對MAC層進行通信，要求對物理層的通信通道全方位掃描

86、。通信通道的掃描具體可以分為兩個階段。一個是能量掃描。一個是主動掃描。首先，先對用戶指定的信道和MAC層的所有信道進行能量掃描，用來排除干擾。網(wǎng)絡層會根據(jù)先前能量掃描的結(jié)果將所有的通信通道賦予一個能量值，根據(jù)能量值的大小將這些通信通道從小到達排列起來。在能量掃描的過程中，如果有一些通信通道的能量值超乎允許兩，則這些通信通道將被舍棄。接著對這些留下來的信道進行主動掃描，通過審查PAN的描述符列表從而確定用來建立新網(wǎng)絡的信道。假如沒有適合建

87、立網(wǎng)絡的信道，進程就會終止，并宣布失敗。</p><p>　　在獲得適合的信道后，網(wǎng)絡層管理層實體會為其定下一個PAN描述符，此PAN描述符應是沒有其他與之重復，并在所選通信道內(nèi)唯一。這之后要做的工作就是為這個協(xié)調(diào)器分配它的網(wǎng)絡地址。網(wǎng)絡地址由網(wǎng)絡層定義，一般為0X000。MAC參數(shù)macPANID和macShortAddress PIBhi被重新設置。一個為PAN描述符的值，另一個為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡地址。</

88、p><p>　　設備加入Zigbee網(wǎng)絡，必須要經(jīng)過組網(wǎng)時設置的協(xié)調(diào)器的同意（路由器也可以）。根據(jù)組網(wǎng)的原語句設置MAC層各項參數(shù)，根據(jù)參數(shù)PermitDuration的與MAC層macAssociationPermit PIB的屬性的不同，可以設定入網(wǎng)的相關狀態(tài)。PermitDuration的參數(shù)值可以是0X00到0XFE， 而macAssociationPermit PIB的屬性可以是FLASH或者是TURE，。

89、不同的設定有著不同的狀態(tài)。可以是允許入網(wǎng)狀態(tài)，可以是禁止入網(wǎng)狀態(tài)，還可以是在規(guī)定時間內(nèi)入網(wǎng)。</p><p>　　3.2.2節(jié)點加入網(wǎng)絡</p><p>　　任意一個終端設備加入Zigbee網(wǎng)絡，在與協(xié)調(diào)器建立關系的過程中又可分為兩種方法，一個是通過與MAC層的連接關系建立，另一個是將之前的一個協(xié)調(diào)器設置為父節(jié)點，子節(jié)點與父節(jié)點建立關系后直接入網(wǎng)。</p><p>

90、　　在通過物理層關聯(lián)入網(wǎng)中，首先要利用子節(jié)點通過組網(wǎng)原語發(fā)起加入網(wǎng)絡的進程，在網(wǎng)絡層收到子節(jié)點發(fā)出的原語后通過對MAC層發(fā)出請求，通過掃描來確任標識符的幀。在掃描過程中，確認到的信標幀需經(jīng)由MAC層報告給網(wǎng)絡層，此步驟有組網(wǎng)原語實現(xiàn)，某種程度上將，子設備可以本次進程中的一些信道，地址等相關信息存儲在鄰居表中。在信道掃描結(jié)束后，MAC層會告知網(wǎng)絡層管理實體，一邊上層選擇一個網(wǎng)絡加入。如果上冊需要更多網(wǎng)絡，則可重新進行網(wǎng)絡搜索。如不需要，直

91、接選擇一個檢測到的網(wǎng)絡直接加入即可。這里我們要注意，不是所有的父節(jié)點都可用來入網(wǎng)，要想入網(wǎng)，次父節(jié)點要滿足下列條件：標識符必須是可以匹配的、能夠允許子節(jié)點連接、接連鏈路的最大成本必須為3。若在鄰居表中沒有符合要求的父節(jié)點，則告知上層。若存在很多符合要求的父節(jié)點，則隨機選擇一個加入。父節(jié)點確認好后，網(wǎng)絡層就會利用這個父節(jié)點來作為入網(wǎng)的橋梁。作為響應入網(wǎng)請求，父節(jié)點將告知網(wǎng)絡層目前有入網(wǎng)請求。網(wǎng)絡層便對鄰居表逐一掃描檢測，找到與之相匹配的地

92、址，并查看是否此地址請求入網(wǎng)。從而確認在其網(wǎng)絡中是否存在該節(jié)點。若有，則網(wǎng)絡層與MAC層會發(fā)出連接請求并且確定其網(wǎng)絡地址。若</p><p>　　子節(jié)點入網(wǎng)還可以與設置完成的父節(jié)點建立連接間接入網(wǎng)。父節(jié)點通過組網(wǎng)原語處理設備直接入網(wǎng)的過程，父節(jié)點先要確認在其鄰居表中是否有節(jié)點的擴展地址能過匹配的上。若存在，父節(jié)點的網(wǎng)絡層管理實體將結(jié)束進程通知上層此設備已存在設備列表之中。如果不存在，則有父節(jié)點為其指定一個網(wǎng)絡地址

93、。當然，前提也是在父節(jié)點的地址空間還有剩余。子節(jié)點在與父節(jié)點建立關系時，要經(jīng)過一個獨立的掃描過程。如果對所有信道掃描過程中，發(fā)現(xiàn)到父設備，MAC層會告知網(wǎng)絡層，之后對上層發(fā)出一個成功響應，即組網(wǎng)成功，可以進行正常的通信[18]。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　本次設計中的編譯軟件也是Microchip公司免費為用戶發(fā)布的軟件MPLAB，MPLAB只能進行匯

94、編語言的編程，還要安裝PICC編譯器。MAPLB編程軟件在工程建立初始便可以進行單片機型號的選擇，使用十分方便，但是要注意，MAPLB在建立工程的時候，其路徑不識別中文路徑，只能將路徑名稱設定為英文或者是符號、數(shù)字。下圖為本次設計的MPLAB的編譯環(huán)境截圖[21]。</p><p>　　圖3.3 MPLAB軟件編譯界面</p><p>　　3.3.1 主機設備軟件設計</p>

95、<p>　　主機設備要完成的功能主要是環(huán)境溫濕度調(diào)節(jié)值的設定與顯示功能，同時將設定值發(fā)送到終端設備中去。這其中包含了三個子函數(shù)：顯示子函數(shù)，矩陣鍵盤掃面子程序和射頻無線收發(fā)的子程序。程序初始，先要對微控制器的各個連接端口進行初始化設定，使用TRISx語句設定相應接口的輸入和輸出，用1表示微控制器的相應端口輸入，0代表相應端口實現(xiàn)信號輸出。使用PORTx語句設定初始時各個端口的輸出電平的高低。初始化之后，先對裝備的矩陣鍵盤掃描

96、，用程序?qū)崿F(xiàn)16鍵的鍵盤掃描時，要先在初始化時設定矩陣鍵盤的高四位接口為輸出狀態(tài)，低四位為輸入狀態(tài)，并對矩陣鍵盤逐列置0，并檢測低四位具體哪一位接收到低電平信號，如果沒有，則進而對下一列進行如上操作，以此方法便能檢測到到底是哪個位置的按鍵被按下，在根據(jù)按鍵的行與列便能確定鍵值。在鍵盤掃描過后，將掃描的鍵值在12864液晶顯示屏上顯示，具體實現(xiàn)程序這里就不做贅述。同時，微控制器會將檢測到的鍵值通過無線射頻收發(fā)器發(fā)到終端設備中去。這里要說明

97、的是，在矩陣鍵盤的十六個按鍵中，將16個按鍵分別賦予相應的溫度值和濕度值，這樣，便可以相應的簡化程序。主機設備的程序采用無線循環(huán)模式，對系統(tǒng)通電</p><p>　　圖3.3.1 主機部分程序流程圖</p><p>　　3.3.2 終端設備軟件設計</p><p>　　終端設備是本系統(tǒng)的核心部分，因為終端設備要完成的工作正是設計初始預定的系統(tǒng)主要功能，即對環(huán)境溫度、

98、濕度的監(jiān)測與調(diào)控。所以，終端設備的程序編寫中可以分為以下幾個部分：無線射頻收發(fā)串口程序，溫濕度采集檢測程序和控制調(diào)節(jié)程序。在芯片的連接問題上，溫濕度信號采集芯片與微控制器使用IIC串行通信方式與PIC16LF887進行通信。程序初始，同樣先對微控制器的各個端口進行初始化設定，使用TRISx語句設定相應接口的輸入和輸出，用1表示微控制器的相應端口輸入，0代表相應端口實現(xiàn)信號輸出。使用PORTx語句設定初始時各個端口的輸出電平的高低。初始化

99、完成后，通過無線射頻器串口程序，微控制器會接收到來自主機發(fā)來的設定值并存入指定寄存器。將溫濕度信號采集器與微控制器的兩個連接端口都設定為輸出狀態(tài)。設定數(shù)據(jù)線引腳置位1，同時串行時鐘線SCK發(fā)出九次脈沖，發(fā)送啟動傳輸，通訊復位。接著，進行一位一位的數(shù)據(jù)讀寫，下拉DATA至低電平讓芯片進入空閑模式。再次啟動SCK時鐘讀出數(shù)據(jù)時，控制器必須要先等待一個“數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好”的信號。接下來傳輸數(shù)據(jù)和校驗位。微控制器通過數(shù)據(jù)線端口的高低電平就可以來識

100、別任意字節(jié)。這所有的數(shù)</p><p>　　圖3.3.2 終端設備程序流程圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對系統(tǒng)的總體軟件設計思路先進行了闡述，之后圍繞著Zigbee的組網(wǎng)問題簡單的描述下，介紹了組網(wǎng)的大體實現(xiàn)流程，介紹了協(xié)調(diào)器的建立和子節(jié)點加入網(wǎng)絡，但流程中沒有介紹具體的原語指令。接著對系統(tǒng)程序編譯環(huán)

101、境簡單進行了介紹，之后分部分對系統(tǒng)的程序進行了分析式的介紹，系統(tǒng)的程序分為兩部分，將兩部分程序都進行了流程圖描述。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本次設計是在經(jīng)過考察了解和對大量的資料研究后，了解了無線傳感網(wǎng)絡在近幾年的發(fā)展狀況，和其現(xiàn)有的應用領域，國內(nèi)外的發(fā)展狀況等信息，并且結(jié)合了我們?nèi)祟惾粘Ｉ钚枰蛯嵱眯远a(chǎn)生對本系統(tǒng)最初

102、的設計思想。貼近人們的生活，當以人們所處的環(huán)境為最先決的條件，一個好的環(huán)境不僅可以使人們感到身心的舒適，還可以潛移默化的影響人們的工作效率。所以，本次設計定位在了基于Zigbee環(huán)境溫濕度的檢測和調(diào)控。</p><p>　　本次設計的智能家居辦公溫濕度調(diào)控系統(tǒng)是建立在單片機的平臺上的一個較為完整的溫濕度檢測裝置。它一Microchip公司開發(fā)的PIC16LF887微處理器為核心控制部件，將無線傳感網(wǎng)絡和外部設備控

103、制集成為一體，無線傳感網(wǎng)絡則采用設計最初要求的Zigbee。以此來改善現(xiàn)代人們的生活質(zhì)量，經(jīng)過反復研究和調(diào)查，本次的方案設計性價比高，開發(fā)周期短，維護方便，而且具有很好的擴展行，對于今后的后續(xù)開發(fā)有很好的推廣和應用價值。</p><p>　　本系統(tǒng)的優(yōu)點和創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下方面：</p><p>　　本次的系統(tǒng)設計采用的是Zigbee的無線傳感技術(shù)在智能化方面的應用方案，這在當今的技術(shù)開發(fā)

104、和應用方面的研究都十分具有實用性。</p><p>　　系統(tǒng)的各個部件都采用低功耗產(chǎn)品，比如，低功耗單片機PIC16LF887，超低功耗的溫濕度信號檢測器件SHT10，低功耗的無線射頻收發(fā)芯片CC2530，并且設計中采用的射頻芯片可以有四種工作方式。在倡導節(jié)能低碳的現(xiàn)行社會必然會得到很好的提倡和親賴。</p><p>　　設計中采用Zigbee的星形網(wǎng)絡方式，網(wǎng)絡建立簡單，除去了樹型網(wǎng)絡拓

105、撲和網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲帶來的路由功能設置等繁瑣問題，在實現(xiàn)了要求的基本的功能的情況下，應用簡單、方便，易于理解和個人操作。</p><p>　　對于本設計的后期完善問題，我認為，可以將智能家居的范圍擴展的更廣一些，不止是溫濕度的調(diào)控，將家居生活中的各個生活電氣都結(jié)合進來，照明，遙控器，水、電、煤氣的三表，門鎖等這些可大可小的器件，都通過Zigbee組建在一起，使得主人可以通過幾個簡單的按鍵就可以輕松的控制；對于Zigb

106、ee的組網(wǎng)問題，本次設計并沒有研究的很深入，后續(xù)還要對Zigbee的各種建立網(wǎng)絡的方法還要再進行更深入的研究。不能只停留在理論方面的研究。并且盡量實現(xiàn)將Zigbee與WLAN網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)上傳，使人們在離家很遠的地方也可以了解到家里的具體情況。</p><p>　　最后，通過本次的系統(tǒng)設計，使得我對無線傳感網(wǎng)絡有了新的認識，理解了單片機的控制原理，更對信號的采集與處理有了了解。通過此次設計，提高了我獨自處理問題的

107、能力、對信息、資料的處理能力和單片機、無線傳感和電子電路的專業(yè)知識，也使我們深刻明白如何設計一個完整的系統(tǒng)。當然，在完成系統(tǒng)設計的過程中也遇到過很多問題。比如說在程序的編寫過程中，初始一直沒有按照流程圖順序編寫，導致程序?qū)τ谝恍┕δ軟]有體現(xiàn)和實現(xiàn)，后來，嚴格按照程序流程圖一步一步的比對，最終完成了程序的編寫工作。發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，這是一個學習的過程，這也是我在本次設計過程中得到的一個經(jīng)驗之一。由于時間與技術(shù)知識的限制，本次系統(tǒng)設計還有