基于zigbee技術的無線抄表系統(tǒng)的設計【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　基于ZIGBEE技術的無線抄表系統(tǒng)的設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 &

2、lt;/p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><

3、p>　　IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡和應用支持層所組成的，其突出的特點是網(wǎng)絡系統(tǒng)支持極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。</p><p>　　在整個系統(tǒng)中，最核心的部分是CC2430芯片。CC2430結合了一個高性能2.4GHZ的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級高效的8051控制器。這

4、樣的設計滿足了以ZIGBEE協(xié)議為基礎的應用波段。所以在本次設計中就用了CC2430。</p><p>　　本次設計就是以CC2430芯片為核心，由電能采集電路；數(shù)據(jù)處理電路；無線收發(fā)模塊組成。他們的作用分別為：對電能信息做采集工作；對采集來的數(shù)據(jù)做初步處理；將初步處理后的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊發(fā)送至基站。將能實現(xiàn)這些功能的模塊合理的整合到一個系統(tǒng)中，完成了本次設計的最終目標。</p><p&g

5、t;　　關鍵詞：ZIGBEE 抄表 近距離傳輸 CC2430</p><p>　　Wireless meter reading system based on Zigbee</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　IEEE802.15.4/ZIGBEE protocol including the s

6、tandard by the IEEE802.15.4 PHY and MAC layer,ZIGBEE network andapplication layer.The characteristic is the low cost of the network system,easy to achieve,reliable data transmission,close operation,extremely low power co

7、nsumption,safty and so on.</p><p>　　Through the whole system,the core part is CC2430 chip.CC2430 including a high-performance 2.4GHZ RF transceiver and a industrial,efficiency 8051 controllers.This design me

8、ets the ZIGBEE protocol with band-based application.So use CC2430 chip in this system.</p><p>　　The core of this system is CC2430.Be made of energy collection circuit,data processing circuit and wireless tr

9、ansceiver.The function of them are collect the energy information,deal with the collected data and sending data to base station through the wireless transceiver.Integrate these modules which can achieve the functions to

10、a reasonable system,and completed the ultimate goal of this design.</p><p>　　Keywords: ZIGBEE Meter Reading Close transfe CC2430</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b&g

11、t;　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3 ZIGBEE技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.4 課題研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　2設備方案設計與總體設計5</p><

12、;p>　　2.1無線抄表系統(tǒng)的方案設計5</p><p><b>　　2.2方案評價7</b></p><p>　　3模塊的設計連接和代碼編寫9</p><p>　　3.1 IEEE802.15.4/ZIGBEE協(xié)議標準概述9</p><p>　　3.2 電能數(shù)據(jù)采集模塊9</p>&l

13、t;p>　　3.3 無線網(wǎng)絡節(jié)點模塊9</p><p>　　3.3.1 CC2430器件模塊11</p><p>　　3.3.2 無線收發(fā)模塊的工作原12</p><p>　　3.3.3 無線收發(fā)模塊12</p><p>　　3.3.4 PIC18LF4620器件模塊13</p><p>　　

14、3.4 ZIGBEE無線網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計14</p><p>　　3.4.1 ZIGBEE協(xié)議棧14</p><p>　　3.4.2 ZIGBEE信道分配14</p><p>　　3.4.3網(wǎng)絡的建立與加入15</p><p>　　3.4.4數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收15</p><p>　　3.4.5 RF

15、D節(jié)點軟件設計流程16</p><p>　　3.5 功能說明16</p><p>　　4設計說明錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.1 協(xié)議選用說明錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.3 元器件選用說明錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　結論17</b>

16、;</p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄1（代碼）19</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　網(wǎng)絡給人們的生活帶來了許許多多的方便，與此同時，人們對網(wǎng)絡的研究

17、也更加的深入，是的人們可以更加合理，高效的利用網(wǎng)絡，從而提高人們的生活質(zhì)量和品質(zhì)。</p><p>　　隨著深入的研究，ZIGBEE——一項近距離傳輸?shù)男录夹g應運而生，他給人們的生活帶來了許多的方便，此項技術在未來多年時間內(nèi)將會是是一項很值得研究的技術。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　隨著城市居民住宅

18、建設日益發(fā)展,電能表數(shù)量迅速增多,抄表計量也日趨復雜。在我國,對居民電表仍采用人工抄表的方法,這種原始的抄表方法費時、費力，造成了人力、物力等資源的浪費，在抄表時也會會打擾居民的正常生活,甚至給居民帶來安全隱患，而且準確性和及時性也未必理想，因此設計一個新系統(tǒng)替代原有的人工抄表顯得尤為重要。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)了無線抄表系統(tǒng)的低功耗、低成本,并具有高度的靈活性和可擴展性。</p><p>　　ZIGBEE作為

19、一種新興的近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術，采用了IEEE802.15.4，具有其強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點，如省電、簡單、低成本；ZIGBEE還添加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層。</p><p>　　ZIGBEE的應用范圍非常的廣泛。無線傳感網(wǎng)絡WSN；智能交通、油氣產(chǎn)生遙測遙控通信系統(tǒng)；農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測、水利水文監(jiān)測無線通信；對患病、設備及設施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控；家庭監(jiān)控、

20、HVAC、安防報警系統(tǒng)運用等。</p><p>　　本課題研究的就是基于ZIGBEE技術的無線抄表系統(tǒng)的設計。網(wǎng)絡節(jié)點的設計采用CC2430芯片和BEESTACK ZIGBEE協(xié)議棧。</p><p>　　1.3 ZIGBEE技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　ZigBee最初版本的標準在2004年12月推出，其增強版ZigBee 2006標準也已經(jīng)完成，200

21、7年第一季度對外公布。2006版標準安全級別更高，跳頻也得到改進，在家庭和商業(yè)控制領域具有優(yōu)勢，尤其是減少了功率消費。但2006版標準包括一些有別于2004年首版規(guī)范的重大變化，這意味著兩種版本互不兼容，可能會給那些已經(jīng)將產(chǎn)品上市的公司帶來麻煩。</p><p>　　ZigBee及IEEE 802.15.4標準提供了一套完整的解決方案，可以滿足無線家庭網(wǎng)絡以及工業(yè)、商業(yè)監(jiān)控應用的系統(tǒng)設計人員所面臨的獨特要求。不過

22、，成功地集成ZigBee技術還存在許多需要密切關注的問題。 </p><p>　　面向ZigBee網(wǎng)絡傳感器節(jié)點的硬件平臺一般都有微控制器與RF收發(fā)器這兩個芯片，另外還需要電源電路、傳感器、天線及電源等。也可添加RF功率放大器來增加其覆蓋范圍。為確保ZigBee平臺設計獲得成功，必須認真選擇這些因素。建議下一步在片上系統(tǒng)(SoC)中集成收發(fā)器與微控制器，從而降低成本并減少平臺尺寸。 </p><

23、;p>　　此外，通過在手機上集成Zigbee芯片，可將手機作為Zigbee傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關，實現(xiàn)對智能家庭的自動化控制、進行移動商務(利用手機購物)等諸多功能。據(jù)BobHeile介紹，目前意大利TIM移動公司已經(jīng)推出了基于Zigbee技術的Z-sim卡，用于移動電話與電視機頂盒、計算機、家用電器之間的通信及停車場收費等。</p><p>　　為成功開發(fā)可滿足典型節(jié)點要求的系統(tǒng)架構，美國德州儀器(TI)公司正

24、致力于在符合 IEEE 802.15.4 標準的收發(fā)器與微控制器、ZigBee協(xié)議棧以及應用軟件之間實現(xiàn)緊密的集成。</p><p>　　隨著ZigBee協(xié)議為越來越多的工業(yè)和商業(yè)用戶所采用，認證對廠商和客戶變得至關重要。到目前為止，OEM廠商可以從13種ZigBee認證平臺中選擇適合的產(chǎn)品開發(fā)技術。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟目前已經(jīng)授權2家試驗室進行測試，即獨立測試服務提供商

25、美國國家技術服務公司(National Technical Services, Inc.，NTS0和德國萊茵集團(TÜV Rheinland Group)。 ZigBee聯(lián)盟不會促銷未認證產(chǎn)品，并且該產(chǎn)品不可以使用ZigBee名稱和標識。</p><p>　　Zigbee芯片是ZigBee產(chǎn)業(yè)鏈上發(fā)展最為成熟的一環(huán)，從2004年底ZigBee聯(lián)盟正式提出標準以來，ZigBee芯片廠開始推出符合ZigBe

26、e標準的芯片，如Atmel的AT86RF210(868MHz/915MHz)、 Freescale(飛思卡爾)的MC13192、ST的SN260、TI(德州儀器)的CC2420。要把ZigBee技術運用在無線網(wǎng)絡，成功與否的關鍵在于其體積、耗電量及成本等因素。因此 ZigBee芯片商開始整合微控制器及RF傳輸芯片，開發(fā)出整合型單芯片，如EM250、CC2430、JN5139、EM260、</p><p>　　MC

27、13214，同時為了兼顧全球的市場、新一代的傳輸頻率都集中在2.4GHz，競爭非常激烈。</p><p>　　在2006年9月，根據(jù)“創(chuàng)新”和“執(zhí)行”等重要參數(shù)對ZigBee供應商進行了評估， 在 ABI Research發(fā)布的IEEE 802.15.4(Zigbee)芯片供應商排名表上，TI位列芯片供應商榜首，Ember公司和Oki Semiconductor排在第二和第三位。</p><p

28、>　　盡管Zigbee技術本身還處在逐步完善的發(fā)展階段，但其易部署、低功耗和低成本的技術特點為它的應用和推廣打下了良好基礎。</p><p>　　在Zigbee產(chǎn)業(yè)鏈上游微控制器、射頻收發(fā)器組件部分， Freescale、TI、Atmel、Microchip、Silicon Labs、Chipcon、Ember、CompX、Jennic、達盛電子等廠商皆已推出相關解決方案；已開發(fā)出ZigBee協(xié)議堆棧的廠商

29、則有Figure 8 Wireless、AirBee、Ember、Helicomm(赫立訊)等；在ZigBee模塊部分，華寶通訊、Helicomm、MaxStream、Silicon Labs、Chipcon、Shinko、松下等廠商皆有相關產(chǎn)品；在ZigBee網(wǎng)關器部分，華寶、諾基亞及易利信等廠商投入GSM/UMTS結合ZigBee技術的網(wǎng)關器開發(fā)。再往下游，許多 ZigBee應用產(chǎn)品已紛紛出現(xiàn)，業(yè)者積極推出各種解決方案及相關產(chǎn)品，但

30、仍然沒有殺手級的應用出現(xiàn)，ZigBee市場還處于導入期。</p><p>　　ZigBee在有源RFID應用中的重要性正日益凸顯，美國Helicomm(赫立訊)公司已經(jīng)開始于美國一家煤礦設備公司合作，將ZigBee無線定位方案從自動抄表、監(jiān)測、車輛管理等應用拓展到煤礦行業(yè)的礦井定位中。</p><p>　　我國華為公司是ZigBee聯(lián)盟13個理事成員之一，目前正與意大利電信合作，在為其提供

31、的終端SIM卡中置入ZigBee技術，從而可以使運營商能夠為用戶提供更多的增值業(yè)務，如手機購物、手機遙控等功能，這大大增強了運營商的業(yè)務提供能力和競爭實力。華為也正在將ZigBee用于機頂盒和DSL Modem中。</p><p>　　作為全球開放的無線通信標準，只要有用上單片機的市場，就會有用到Zigbee的機會。其應用領域可以橫跨全球民用、軍用、商用、公用及工業(yè)用等各個市場。尤其是在那些存儲空間有限并追求成本

32、效益的短距離無線通信和自動控制領域，ZigBee有著廣泛的應用前景。</p><p>　　ZigBee技術典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有重復性低反應時間數(shù)據(jù)（如鍵盤）、間歇性數(shù)據(jù)(如照明控制)和周期性數(shù)據(jù)(如傳感器數(shù)據(jù))。其出發(fā)點是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡，并使產(chǎn)品的電池能維持6個月到數(shù)年的時間。根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的設想，它的應用目標主要針對家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)、醫(yī)護(如監(jiān)視和傳感)、工業(yè)

33、控制(如自動控制設備、無線傳感器網(wǎng)絡)、PC外設的無線連接、消費類電子設備的遙控裝置，以及軍事(戰(zhàn)場監(jiān)視、機器人控制、單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng))等領域。在產(chǎn)品發(fā)展的初期，將以工業(yè)或企業(yè)市場的傳感器網(wǎng)絡為主， 并逐漸將市場拓展至家庭中的數(shù)字化和便攜性應用。有報道預測，未來6～7年內(nèi)，家庭用戶將占有2/3的ZigBee市場。</p><p>　　盡管當前ZigBee應用還沒有規(guī)模上量，但已有了很多應用，主要集中在工業(yè)安全、交

34、通運輸、公共事業(yè)、家電遙控、燈光控制、門禁等領域。在開始使用時，ZigBee技術每個節(jié)點的成本是3～4美元，到2007年下半年，每個節(jié)點的成本應該在3美元以下。而每個節(jié)點包括一個微控制器和一個RF收發(fā)器。</p><p>　　基于ZigBee技術的無線抄表系統(tǒng)應該由ZigBee自組網(wǎng)、GPRS網(wǎng)和及抄表中心3部分組成。ZigBee自組網(wǎng)可分為數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)中轉器和集中器3部分；以CC2430模塊為核心，設計由C

35、C2430、傳感器、天線、電源和功率放大器5個模塊組成的ZigBee節(jié)點硬件。集中器采用ARM微處理器為主處理器，可以收集多個電表數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)上行傳給數(shù)據(jù)中轉器，把從數(shù)據(jù)中轉器和指令下發(fā)給各電表。數(shù)據(jù)中轉器是數(shù)據(jù)采集器和集中器間的數(shù)據(jù)轉發(fā)裝置，把數(shù)據(jù)采集器中要上傳的數(shù)據(jù)中轉給集中器，把集中器發(fā)出的指令信息轉給數(shù)據(jù)采集器。集中器軟件主要實現(xiàn)對所有ZigBee節(jié)點和及抄中心盡心監(jiān)聽。</p><p>　　1.4 課題

36、研究的主要內(nèi)容</p><p>　　課題研究的是基于ZIGBEE技術的無線抄表系統(tǒng)的設計。研究的主要內(nèi)容是整個系統(tǒng)各模塊的設計和連接，還有相關程序代碼的編寫。使得整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)相關的功能。</p><p>　　系統(tǒng)用到的芯片有ADE7753芯片、PIC18LF4620芯片、CC2430芯片等。具體模塊主要由電能采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線網(wǎng)絡節(jié)點收發(fā)模塊組成。電能采集模塊的功能是將

37、電能數(shù)據(jù)采集后，送至數(shù)據(jù)處理模塊處理，最后將處理后的電能數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡節(jié)點收發(fā)模塊發(fā)送至基站。從而實現(xiàn)無線抄表的功能。</p><p>　　2設備方案設計與總體設計</p><p>　　2.1無線抄表系統(tǒng)的方案設計</p><p>　　圖2-1系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　此系統(tǒng)由1個電壓/電流采集電路、電能檢測模塊和1個無線網(wǎng)絡節(jié)

38、點模塊組成。具有的功能有：電壓/電流的采集，電能的檢測和無線傳輸數(shù)據(jù)。</p><p>　　由于是抄表系統(tǒng)，必須要收集電能使用情況的相關數(shù)據(jù)，所以需要一個電能數(shù)據(jù)采集電路。</p><p>　　采集到電能相關數(shù)據(jù)之后，需要對這些數(shù)據(jù)進行一些必要的處理，這時候就需要ADE7753芯片來完成相關的工作。</p><p>　　此系統(tǒng)是近距離傳輸，需要一個具有收發(fā)數(shù)據(jù)功能的

39、模塊，所以收發(fā)模塊中的核心芯片采用了CC2430芯片。此芯片不僅具有收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，它內(nèi)部包含了一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核，運行時鐘32MHZ。由于更快的執(zhí)行時間和通過出去被浪費掉的總線狀態(tài)的方式，使得使用標準8051指令集的CC2430增強型8051內(nèi)核，具有8倍的標準8051內(nèi)核的性能。圖2.1.1為CC2430芯片部分管腳的管腳圖。</p><p>　　圖2.1.1 CC2430部分管腳&

40、lt;/p><p>　　圖2.1.1 PIC18LF4620芯片管腳圖</p><p>　　而另一個相對重要的芯片是PIC18LF4620。采用這款芯片的主要原因它具有一下優(yōu)點：（1）集成了64K byte Flash，3986byte SRAM，1k byte EEPROM，方便大型程序的存儲，省去外擴存儲器的麻煩；（2）內(nèi)部繼承調(diào)試接口ICD2，只需要占用2條引腳，方便程序的調(diào)試和下載；（

41、3）集成了SPI接口，方便和無線收發(fā)芯片的連接；（4）具有良好的低功能特性，特別適合于電池供電的場合。采用這款芯片的原因是它的無線SPI接口設計。圖2.1.2就是該芯片的管腳圖。</p><p>　　阻抗匹配網(wǎng)絡是發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一關，它的作用是根據(jù)前面的電路要求，對整個電路的阻抗值進行相應的匹配，使電路能夠正常穩(wěn)定的工作。</p><p>　　電能相關的數(shù)據(jù)在經(jīng)過前面一系列的電路之后，最終

42、從天線發(fā)送到基站，做統(tǒng)計處理。從而實現(xiàn)無線抄表的功能。</p><p><b>　　2.2方案評價</b></p><p>　　此系統(tǒng)由1個電壓/電流采集電路、電能檢測模塊和1個無線網(wǎng)絡節(jié)點模塊組成。具有的功能有：電壓/電流的采集、電能的檢測、無線傳輸數(shù)據(jù)和阻抗匹配電路。</p><p>　　該系統(tǒng)包括了最基本的功能模塊。同時，也考慮到了后期的

43、阻抗匹配電路。這樣，該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)相關的功能，阻抗匹配電路還保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在選擇元器件方面，比較合理，元器件之間能較好的匹配起來，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。</p><p>　　3 模塊的設計連接和代碼編寫</p><p>　　3.1 IEEE802.15.4/ZIGBEE協(xié)議標準概述</p><p>　　IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議是由IEEE 8

44、02.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡和應用支持層所組成的，其突出的特點是網(wǎng)絡系統(tǒng)支持極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。</p><p>　　IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議中明確定 義了三種拓撲結構：星型結構(Star)、簇狀結構(Cluster tree)和網(wǎng)狀結構(Mesh)。</p><p>　　3.2 電

45、能數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　電能數(shù)據(jù)采集模塊的核心是ADE7533芯片。該芯片是美國ADI宮的一款高精度單相有功電能計量的芯片。芯片繼承了溫度傳感器、數(shù)字積分和參考電壓。還提供了與有功能量成比例的脈沖輸出和數(shù)字系統(tǒng)校準誤差電路。</p><p>　　電壓店客流采集電路把間流電編程可供ADE7753輸入的電壓。電流通道中，通過微分電流傳感器實現(xiàn)電流電壓轉換。</p>&

46、lt;p>　　ADE7753有電壓、電壓兩個通道，可供兩路模擬量輸入，分別是電壓通道V2P、V2N和電流通道V1P、V1N。電壓信號經(jīng)PGA放大后，又經(jīng)過模數(shù)轉換器進行A/D轉換為數(shù)字信號，而后電流信號經(jīng)過電流通道內(nèi)的高通濾波器濾除DC分量且數(shù)字積分后，與經(jīng)相位矯正后的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時功率；此信號經(jīng)過低通濾波器產(chǎn)生瞬時有功功率信號。利用功率偏差校準寄存器對有功功率校準，存入采樣波形數(shù)據(jù)集訓期嗎，再對采樣波形數(shù)據(jù)寄存器的值累加

47、，把功率累加值放入電能寄存器里，最后經(jīng)DOUT引腳輸出。[1]</p><p>　　3.3 無線網(wǎng)絡節(jié)點模塊</p><p>　　圖3.3.1為ZIGBEE無線網(wǎng)絡節(jié)點模塊的總體框圖。系統(tǒng)由CC2430、PIC8LF4620和無線收發(fā)模塊組成。CC2430器件模塊由CC2430、PIC8LF4620和外圍電路構成。其中圖3.3.2為PIC18LF4620與CC2430的連接圖。</

48、p><p>　　圖3.3.1 無線模塊中CC2430器件及其外圍電路圖</p><p>　　圖3.3.1 無線模塊中PIC18LF4620與CC2430連接圖</p><p>　　3.3.1 CC2430器件模塊</p><p>　　圖3.3.3為CC2430的模塊原理圖，其中包括1.8V和3.3V電源濾波器、巴倫電路、芯片晶振電路和復位電路。

49、R2、R3是偏置電阻。其中R3是為了給32MHZ晶振提供合適的工作電流。電感L1、L2、L3和電容C15、C17、C26組成巴倫電路。32.768KHZ的晶振電路由C7、C8兩個電容和1個32.768KHZ的石英諧振器構成。32MHZ的晶振電路由一個32MHZ的石英諧振器X2和C9、C10兩個電容構成。CC2430芯片射頻信號的收發(fā)方式采用差分方式傳送，最佳的差分負載是115+j180Ω。CC2430的差分射頻有兩個端口，而采用的50Ω

50、單極子天線是單端口，所以采用巴倫電路，使完成雙端口到單端口的轉換。[2]</p><p>　　CC2430芯片的外部數(shù)字I/O接口使用的是3.3V電壓，以保持和3.3V邏輯器件的兼容。內(nèi)部使用的是適合于電池供電的1.8V工作電壓。C1、C11、C15等電容是去耦電容，其作用是用于電源濾波，從而提高器件的工作穩(wěn)定性。而在CC2430芯片上繼承了穩(wěn)壓器，可以把3.3V電壓轉換為1.8V電壓，這樣的話，只需給設備提供一

51、個3.3V的電源電壓就可以是設備正常工作。</p><p>　　圖3.3.3 CC2430與外圍電路連接圖</p><p>　　3.3.2 無線收發(fā)模塊的工作原理</p><p>　　無線收發(fā)模塊主要是由2.4GHZ的射頻天線和CC2430芯片以及相應的阻抗匹配電路組成。由晶振時鐘電路、單片機I/O電路和射頻輸入輸出匹配電路三部分組成芯片的外圍電路。射頻輸入輸出匹

52、配電路的主要作用是匹配芯片的射頻輸入輸出阻抗，控制其輸入輸出阻抗在50Ω；同時，也為芯片內(nèi)部的低噪聲放大器和功率放大器提供直流偏置。此次設計采用的無源晶振頻率為16MHZ，負載電容為22pF。CC2430芯片是通過4線SPI口設置芯片的工作模式，且實現(xiàn)讀寫緩存數(shù)據(jù)和讀寫狀態(tài)寄存器。[3][4]</p><p>　　天線接收到射頻信號后，首先經(jīng)過正交和低噪聲放大器下變頻到2MHZ的中頻信號?；旌螴/O信號經(jīng)過濾波、

53、放大后，通過ADC轉換成數(shù)字信號。再經(jīng)過自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴，最終恢復出正確的信號數(shù)據(jù)。發(fā)射機部分采用直接上變頻。等發(fā)送數(shù)據(jù)被送入128個字節(jié)的發(fā)送緩存器后，頭幀、起始幀都是硬件自動產(chǎn)生的。由IEEE802.15.4的標準可知，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流中，每4個比特波32碼片的擴頻序列擴頻后，送到DAC。最后經(jīng)過低通濾波器和上變頻的混頻后被調(diào)制到2.4GHZ，并且放大后經(jīng)由天線發(fā)射出去。[5]</p><p>　

54、　3.3.3 無線收發(fā)模塊</p><p>　　圖3.3.4 無線收發(fā)模塊的連接框圖</p><p>　　當CC2430接收信號時，在RXTX-SWITCH信號控制下，從天線接受的信號經(jīng)過低噪聲放大電路放大，巴倫電路將單端信號轉換為雙端信號，再由RF-P、RF-N端口接收。而發(fā)送數(shù)據(jù)時恰恰相反，信號從差分射頻端口RF-P、RF-N經(jīng)過巴倫電路，雙端先好轉變成為單端信號，再由RXTX-SW

55、ITCH信號控制2個邏輯開關，選擇功率放大電路，信號放大后，從天線發(fā)射出去。</p><p>　　圖3.3.5 收發(fā)模塊電路原理圖</p><p>　　該電路主要由功率放大電路、低噪聲功率放大電路、2個邏輯開關電路、電源濾波電路、阻抗匹配電路和偏置電路組成。低噪聲功率放大電路采用的是UA2723,此器件采用的是與外部接口電源相匹配的3.3V電源。頻率范圍是0.05~4GHZ。</p&

56、gt;<p>　　為了保證低噪聲功率放大器的靈敏度，3.3V電源電路如圖3.3.6所示</p><p>　　圖3.3.6 3.3V電源連接圖</p><p>　　3.3.4 PIC18LF4620器件模塊</p><p>　　下圖為PIC18LF4620芯片的引腳圖，該芯片與CC2430芯片相連，若再與上面的無線收發(fā)模塊相連，就構成了系統(tǒng)中最核心

57、部分——無線網(wǎng)絡節(jié)點模塊。</p><p>　　圖3.3.7 PIC18LF4620管腳圖</p><p>　　3.4 ZIGBEE無線網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計</p><p>　　3.4.1 ZIGBEE協(xié)議棧</p><p>　　ZIGBEE協(xié)議棧的體系結構包括：ZIGBEE網(wǎng)絡層、ZIGBEE應用層、IEEE802.15.4MAC層和IE

58、EE802.15.4PHY。</p><p>　　ZIGBEE協(xié)議是由一組子層構成的。每層都為上一層提供一組特定的服務；數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務；管理實體則提供其他的全部服務。每個服務實體都是通過一個服務接入點為其上層提供服務接口的，每個服務接入點提供一系列基本服務指令去完成相應的功能。[6]</p><p>　　3.4.2 ZIGBEE信道分配</p><p>

59、　　ZIGBEE的通信頻率在物理層，它為不同國家和區(qū)域提供了不同的工作頻率范圍——2.4GHZ和816/915MHZ。所以，在ZIGBEE中定義了2.4GHZ和816/915MHZ兩個物理層的標準，它們都是基于直接序列擴展技術的。</p><p>　　一般情況下，都采用2.4GHZ的波段，采用這個波段不僅不用申請ISM頻段，而且還適合ZIGBEE降低設備的生產(chǎn)成本以及設備的推廣。2.4GHZ物理層采用的是16相調(diào)

60、制技術，可以提供250kb/s的傳輸速率，降低功耗的同時，還縮短通信的時延和數(shù)據(jù)收發(fā)時間，提高了數(shù)據(jù)的吞吐量。</p><p>　　3.4.3網(wǎng)絡的建立與加入</p><p>　　ZIGBEE通過NLME-NETWORK-FORMATION．Request原語來建立啟用一個新的網(wǎng)絡。只有具有ZIGBEE協(xié)調(diào)器能力且當前沒有與網(wǎng)絡連接的設備，才可以建立一個新的網(wǎng)絡。</p>&

61、lt;p>　　3.4.4數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收</p><p>　　IEEE 802.15.4/ZigBee幀結構的設計原則是保證網(wǎng)絡在有噪聲的信道上可以較好的進行傳輸?shù)耐瑫r將網(wǎng)絡的復雜性降到最低。每一后繼的協(xié)議層都是在其前一層添加或者刪除幀頭和幀尾而形成的。</p><p>　　發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先按照協(xié)議中規(guī)定的幀形式構建幀數(shù)據(jù)。幀數(shù)據(jù)包括幀頭和幀內(nèi)容。其中幀頭包括CLUSTERID、目的

62、地址、幀類型、源地址、PAN等信息。</p><p>　　幀構建好后調(diào)用MAC層的原語MCPS-DATA．request，并將接收到的結果通過MCPS-DATA．confirm返回。在Z-Stack 中，只有對應用層調(diào)用，數(shù)據(jù)才能被發(fā)送和接收。</p><p>　　為了接收數(shù)據(jù)，接收設備必須處于打開狀態(tài)。上層使用NLME-SYNC．request原語將設備初始化，從而打開接收機，該原語還會

63、引起網(wǎng)絡層使用MLME- POLL．request原語對其父設備進行輪詢。ZIGBEE協(xié)調(diào)器或路由器的網(wǎng)絡層必須在最大程度上保證任何時候接收機總是處于接收的狀態(tài)。</p><p>　　網(wǎng)絡層向其高層表明所接收到的數(shù)據(jù)幀使用的是NLDE-DATA．indication原語。只要接收到相關的幀信息，網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)實體會檢查幀控制域中安全子域的值。如果不為零，網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體會把該幀傳送到安全服務單元，根據(jù)所指定的安全標準

64、對其進行安全處理。[7-11]</p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖3.3.8 RFD節(jié)點的主應用程序設計的流程框圖</p><p>　　3.4

65、.5 RFD節(jié)點軟件設計流程</p><p>　　圖3.3.8為RFD節(jié)點的主應用程序設計的流程框圖。主要功能是實現(xiàn)硬件的初始化，并根據(jù)USER的指令進入配置模式以完成綁定操作。綁定可以讓RFD的信息出現(xiàn)在協(xié)調(diào)器的綁定表中，從而使RFD節(jié)點和協(xié)調(diào)器關聯(lián)。[12]</p><p><b>　　3.5 功能說明</b></p><p>　　該系

66、統(tǒng)的設計是為實現(xiàn)近距離無線抄表。系統(tǒng)由電能采集模塊，對電能的使用情況進行相關的數(shù)據(jù)采集，隨后對采集到的數(shù)據(jù)進行相應的處理和轉換。待數(shù)據(jù)處理后，通過無線網(wǎng)絡模塊，將數(shù)據(jù)經(jīng)由天線發(fā)送至基站進行最終的處理分析。從而實現(xiàn)近距離無線抄表的功能。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　隨著城市居民住宅建設日益發(fā)展,電能表數(shù)量迅速增多,抄表計量也日趨復雜。在

67、我國,對居民電表仍采用人工抄表的方法,這種原始的抄表方法費時、費力，造成了人力、物力等資源的浪費，在抄表時也會會打擾居民的正常生活,甚至給居民帶來安全隱患，而且準確性和及時性也未必理想，因此設計一個新系統(tǒng)替代原有的人工抄表顯得尤為重要。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)了無線抄表系統(tǒng)的低功耗、低成本,并具有高度的靈活性和可擴展性。</p><p>　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無

68、線網(wǎng)絡技術。采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點：省電、簡單、成本低的規(guī)格；ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層。</p><p>　　ZigBee的應用范圍也非常廣泛。無線傳感網(wǎng)絡WSN；智能交通、油氣產(chǎn)生遙測遙控通信系統(tǒng)；農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測、水利水文監(jiān)測無線通信；對患病、設備及設施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控；家庭監(jiān)控、HVAC、安防報警系統(tǒng)運用等。</p><p

69、>　　本次設計的系統(tǒng)是利用IEEE802.14.5/ZIGBEE協(xié)議而實現(xiàn)的近距離無線抄表。系統(tǒng)由電能采集模塊，對電能的使用情況進行相關的數(shù)據(jù)采集，隨后對采集到的數(shù)據(jù)進行相應的處理和轉換。待數(shù)據(jù)處理后，通過無線網(wǎng)絡模塊，將數(shù)據(jù)經(jīng)由天線發(fā)送至基站進行最終的處理分析。從而實現(xiàn)近距離無線抄表的功能，給人們的生活帶來便利。參考文獻</p><p>　　[1]任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡[J].軟件學報200

70、3，14（7）.</p><p>　　[2]孫亭，楊永田，李立宏.無線傳感器網(wǎng)絡技術發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術應用，2006（6）.</p><p>　　[3]李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2008，45（1）.</p><p>　　[4]使用彬，葉湘濱，劉培亮.無線傳感器網(wǎng)絡技術研究現(xiàn)狀[J].國外電子測量技術，2008，24（11

71、）.</p><p>　　[5]李善倉，張克旺.無線傳感器網(wǎng)絡原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[6]彭立，徐紅漫.發(fā)展中的IEEE802.15.4[J].現(xiàn)代電信科技，2004（4）.</p><p>　　[7]Xilinx.The Programmable Logic Data Book,2003</p>&l

72、t;p>　　[8]孫一茂，陳利學.ZigBee技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2008，2.</p><p>　　[9]凌志浩，周怡，鄭麗國.ZigBee無線通信技術及其應用研究[J].華東理工大學學報（自然科學版），2006，32（7）</p><p>　　[10]Mark Zwolinski.Digital System Design with VHDL,200

73、0</p><p>　　[11]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.</p><p>　　[12]王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學報.2005，16（5）：857-868.</p><p>　　[13]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社，20

74、05.5.</p><p>　　[14]李文仲，段朝玉等.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.</p><p>　　[15]蔣挺，趙成.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2008.</p><p><b>　　附錄1（代碼）</b></p><p>　　1

75、串口初始化代碼：</p><p>　　void SerialApp_Init(unit8 task_id)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　halUARTCfg_t uartConfig;</p><p>　　SerialApp_MsgID=0x00;</p><p>

76、　　SerialApp_SeqRx=0xc3;</p><p>　　SerialApp_TaskID=task_id;</p><p>　　SerialApp_DstAddr.endPoint=0;</p><p>　　SerialApp_DstAddr.addr.shortAddr=0;</p><p>　　SerialApp_DstAdd

77、r.addrMode=(afAddrMode_t)AddrNotPresent;</p><p>　　SerialApp_RspDstAddr.endPoint=0;</p><p>　　SerialApp_RspDstAddr.addr.shortAddr=0;</p><p>　　SerialApp_RspDstAddr.addrMode=(afAddrMode

78、_t)AddrNotPresent;</p><p>　　afRegister((endPointDesc_t*)&SerialApp_epDesc);</p><p>　　RegisterForKeys(task_id);</p><p>　　uarConfig.configured =TRUE;</p><

79、;p>　　uarConfig.baudRate =SERIAL_APP_BAUD;</p><p>　　uarConfig.flowControl =FALSE;</p><p>　　uarConfig.flowControlThreshold =SERIAL_APP_THRESH;</p><

80、;p>　　uarConfig.rx.maxBufSize =SERIAL_APP_RX_MAX;</p><p>　　uarConfig.tx.maxBufSize =SERIAL_APP_TX_MAX;</p><p>　　uarConfig.idleTimeout =SERIAL_APP_IDLE;<

81、;/p><p>　　uarConfig.intEnable =TRUE;</p><p>　　#if SERIAL_APP_LOOPBACK</p><p>　　uartConfig.callBackFunc =rxCB_Loopback;</p><p><b>　　#else&

82、lt;/b></p><p>　　uartConfig.callBackFunc =rxCB;</p><p><b>　　#endif</b></p><p>　　HalUARTOpen(SERIAL_APP_PORT,&uartConfig);</p><p>　　#if def

83、ined(LCD_SUPPORTED)</p><p>　　HalLcdWriteString(“SerialApp2”,GAL_LCD_LINE_2);</p><p>　　#endif}[13]</p><p>　　2 LED燈點亮熄滅源代碼</p><p>　　//頭文件#include <ioCC2430.h>//延

84、時子函數(shù)#define led1 P1_0#define led2 P1_1#define led3 P1_2#define led4 P1_3void Delay(unsigned n)   {  unsigned tt;  for(tt = 0;tt<n;tt++);  for(tt = 0;tt<n;tt++);  for(tt = 0;t

85、t<n;tt++);  for(tt = 0;tt<n;tt++);  for(tt = 0;tt<n;tt++);}//32M晶振初始化void xtal_init(void){  SLEEP &= ~0x04;             //都上電

86、  while(!(SLEEP & 0x40));     //晶體振蕩器開啟且穩(wěn)定  CLKCON &= ~0x47;           //選擇32MHz 晶體振蕩器  SLEEP |= 0x04;}//LED燈初始化void led_

87、init(void){  P1SEL  = 0x</p><p>　　3 CC2430串口接收程序</p><p>　　void initUART(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　IO_PER_LOC_UART0_AT_PORT0_PIN2345();&l

88、t;/p><p>　　SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);</p><p>　　UART_SETUP(0,9600,HIGH_STOP);</p><p>　　U0CSR=0xC5;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　其中</

89、b></p><p>　　#define IO_PER_LOC_UART0_AT_PORT0_PIN2345()do{PERCFG=(PERRCFG&~0x01) |0x00; } while (0)</p><p>　　是用來設置寄存器PERCFG的，而SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);則是用來設置晶振的，這兩個程序是調(diào)用子程序。UART_SET

90、UP(0,9600,HIGH_STOP);這是一個波特率設置函數(shù)（將波特率設置成9600），設置成UART模式，接收器使能，收到的字節(jié)就緒還有就是在發(fā)送或者接收中，USART忙。[14]</p><p>　　上述的串口接收程序是運用中斷來完成的，所以首先要設置ISR，以下是其源代碼：</p><p>　　Void SET_UART0_ISR(void)</p><p&g

91、t;<b>　　{</b></p><p>　　U0CSR|=0xd0;</p><p>　　U0UCR|=0x02;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　電泳中斷函數(shù)源代碼：</p><p>　　#pragma vecter=URX0_VECTOR&

92、lt;/p><p>　　_interrupt void URX0_ISR(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uarttemp=U0DBUF;</p><p>　　U0DBUF= uarttemp;</p><p><b>　　}</b><

93、;/p><p>　　主要目的是把收發(fā)寄存器的值讀出賦到一個變量上，再將變量的值賦回給BUFFER，這樣便能實現(xiàn)串口的回顯功能。[15]</p><p><b>　　調(diào)用函數(shù)：</b></p><p>　　Main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>

94、;　　Uchar temp=0;</p><p>　　SLEEP&=~0x04;</p><p>　　While(!(SLEEP&0x04));</p><p>　　CLKCON&=~0x47;</p><p>　　SLEEP|=0x04;</p><p>　　InitUART();</p

95、><p>　　UARTx|SRopen();</p><p>　　ENABLE_ALL_INTERRUPT();</p><p><b>　　Which(1);</b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　一下是I/O控制源代碼</p>&

96、lt;p>　?。 nclude "ioCC2430.h"</p><p>　　void Delay(unsigned char n){    unsigned char i;    unsigned int j;    for(i = 0; i < n; i++) 

97、60; for(j = 1; j; j++);}</p><p>　　void main(void){// CC2430 中，I/O 口做普通 I/O 使用時和每個 I/O 端口相關的寄存器有 3 個，分別是 //PxSEL//功能選擇寄存器，PxDIR 方向寄存器，PxINP 輸入模式寄存器，其中 x 為 0，1，2 。//這里選擇 P1.0 上的 色 LED 作為 I/O 測試。SLEEP &am

98、p;= ~0x04;while(!(SLEEP & 0x40));   //晶體振蕩器開啟且穩(wěn)定CLKCON &= ~0x47;    //選擇1-32MHz 晶體振蕩器SLEEP |= 0x04;</p><p>　　P1SEL = 0x00;     //P1.0 為普通 I/O 口P1DIR =