畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于zigbee的無線通訊裝置設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目 基于Zigbee的無線通訊裝置設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 自動化與電氣工程學(xué)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(jìn)行調(diào)控則是本文的重點(diǎn)。著眼于目前較為流行的智能家居辦公系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文是基于ＴＩ公司的CC2530實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4（Zigbee）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的溫濕度模擬調(diào)控。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，始終堅(jiān)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(luò)中實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫濕度調(diào)控。詳細(xì)討論了系統(tǒng)各個(gè)部分所實(shí)現(xiàn)的作用和特性。</p><p>　　關(guān)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(diǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)序12</p><p>　　2.4 溫濕度控制調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.5 顯示電路的設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.6 按鍵電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.7 雙電源供電模塊設(shè)計(jì)15</p><p><b>

12、;　　本章小結(jié)16</b></p><p>　　3.軟件部分設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 軟件設(shè)計(jì)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(luò)17</p><p>　　3.2.2節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)18</p

13、><p>　　3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.3.1 主機(jī)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.3.2 終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)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(xiàn)25</p><p><b>　　致 謝27</b></p><p>　　附錄Ⅰ 主機(jī)部分與終端設(shè)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(shí)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(rèn)識到科學(xué)技術(shù)的無窮力量。對于科學(xué)的渴望和探索也是一個(gè)永無止境的過程，現(xiàn)在，人類在科學(xué)技術(shù)上的探索、發(fā)明已經(jīng)到達(dá)了一個(gè)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(rèn)定這項(xiàng)技術(shù)同時(shí)也會改變未來軍事戰(zhàn)

16、爭模式。事實(shí)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(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以涉及的領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(jìn)和創(chuàng)新也使得無線傳感技術(shù)的生命力越發(fā)的頑強(qiáng)。無線傳感技術(shù)已經(jīng)徹底的改變了我們當(dāng)今的現(xiàn)實(shí)生活。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是具有很多的節(jié)點(diǎn)，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(luò)。隨著微機(jī)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(lán)牙、紅外通信、GPRS等都是近幾年發(fā)展起來的并得到廣泛應(yīng)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(gè)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(dāng)今社會，商品貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)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(gè)好的前程的人來說，好的工作學(xué)習(xí)環(huán)境可以更好

18、為我們工作學(xué)習(xí)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(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、成本上等等一些方面都有著?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(shí)現(xiàn)新的突破。智能控制的開發(fā)建設(shè)已經(jīng)成為了新世紀(jì)發(fā)展的一個(gè)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(shè)計(jì)就是zigbee無線通訊技術(shù)，無線射頻技術(shù)的

19、一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的溫度、濕度的設(shè)定控制，并且對當(dāng)前環(huán)境的實(shí)際溫濕度進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，為人們創(chuàng)造一個(gè)理想的工作學(xué)習(xí)環(huán)境。智能家居、辦公系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)人特點(diǎn)設(shè)計(jì)，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(gè)理想、舒適的學(xué)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)，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(gè)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(wù)提供商，消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商，半導(dǎo)體制造商和供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn) [3]。</p><p>　　目前，zigbee的市場主要有電腦外設(shè)，像無線鼠標(biāo)、無線鍵盤等；一些電子設(shè)備，如TV、CD、DVD等；家庭智能控制，照明

22、、煤氣計(jì)量等；小孩子的玩具；醫(yī)療器具及護(hù)理器具；工業(yè)控制等相當(dāng)廣泛的領(lǐng)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(yīng)用了，它還在高速公路照明燈的工作情況檢測中得到應(yīng)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(jì)算機(jī)前，通過電腦就可以清楚的知道每一個(gè)照明燈的工

23、作情況。再如，在大型停車場中，zigbee也應(yīng)用在記錄汽車的進(jìn)出，也可以用來傳輸人們的指紋數(shù)據(jù)來對身份進(jìn)行確認(rèn)。在煤礦監(jiān)測中，用來對礦井內(nèi)的安全情況實(shí)時(shí)監(jiān)測，減少了布線，更加減少了安全隱患的發(fā)生。在消費(fèi)類電子方面，相比于紅外遙控，ZigBee的每一個(gè)操作都會收到相應(yīng)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(gè)通道上安裝Zigbee網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行檢測，要是有人非法進(jìn)入，Zigbe

24、e網(wǎng)絡(luò)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(dá)到報(bào)警目的。現(xiàn)在，一些公司也在針對空調(diào)等電器進(jìn)行改裝，通過加入Zigbee模塊來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)控制這些電器的起停。在醫(yī)療領(lǐng)域，通過結(jié)合各種傳感器，在Zigbee網(wǎng)絡(luò)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(shè)大量的zigbee終端設(shè)備，就可以起來路標(biāo)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(shè)備，應(yīng)用zigbee的無線定位功能，就能清楚的知道其當(dāng)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(shí)現(xiàn)，但是應(yīng)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(diǎn)。更加值得注意的是，有人預(yù)測，在將來的幾年時(shí)間里，Zigbee將出現(xiàn)在我們家庭生活的各個(gè)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(lǐng)域，也是Zigbee發(fā)展的一個(gè)新的出發(fā)點(diǎn)和重點(diǎn)。</p>

26、<p>　　1.3 zigbee簡介</p><p>　　1.3.1 zigbee的由來及特點(diǎn)</p><p>　　ZigBee可以認(rèn)為是IEEE802.15.4協(xié)議，根據(jù)這個(gè)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(lǐng)域和無線遠(yuǎn)程的操作上得到很好的應(yīng)用，同時(shí)，它可以加入各種外部設(shè)備，還能實(shí)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(luò)，Zigbee的網(wǎng)絡(luò)與之十分相類似。下面是Zigbee這一技術(shù)的特點(diǎn)：</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(yīng)用;</p><p>　　功耗低:在低功耗模式下，一個(gè)5號電池就可以運(yùn)

28、行一年左右，十分省電，免去了反復(fù)充電的麻煩。這是Zigbee很大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　成本低:Zigbee的使用成本很低，為使用者降低了負(fù)擔(dān)，重要的是，不像其他協(xié)議一樣，Zigbee的協(xié)議是沒有專利費(fèi)的，可免費(fèi)使用。</p><p>　　時(shí)延短:Zigbee的運(yùn)行時(shí)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(luò)容量大:一個(gè)Zigbee設(shè)備同時(shí)與254個(gè)設(shè)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(luò)拓?fù)淠芰?星形，網(wǎng)狀，樹形，這三種都是Zigbee的網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)家庭和

30、辦公環(huán)境的全覆蓋。依據(jù)實(shí)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(gè)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(gè)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(gè)工作頻帶，上面也有介紹，就是2.4 GHz、915MHz和868MHz。每一個(gè)頻帶都有固定數(shù)量的通信通道（信道）。對應(yīng)于2.4 GHz、915 MHz、868 MHz這是那個(gè)工頻帶分別給出了16個(gè)信道（11至26信道）、10個(gè)信道（1到10信道）、一個(gè)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(yīng)于上述三個(gè)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(shí)際的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的傳輸會比以上說明的比特率要小一些，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)的傳輸過程中和處理的時(shí)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(yàn)碼）來驗(yàn)證幀的完整性。使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制可以使得標(biāo)志位幀都被接收應(yīng)答。要是在幀的發(fā)送時(shí)置位了ACK標(biāo)志但

33、是在一定時(shí)限內(nèi)沒有得到應(yīng)答，則發(fā)送器會多次進(jìn)行固定次數(shù)發(fā)送。要是依然沒有得到應(yīng)答，則會宣布錯誤。這里要說明的是，當(dāng)?shù)玫綉?yīng)答后，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(yīng)用程序還要有別的應(yīng)</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(jià)格高，而且功能實(shí)現(xiàn)較為困難，

34、在應(yīng)用中有著各種困難需要克服。目前，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在生活、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成為了一個(gè)不可阻擋的趨勢。這不僅僅是因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)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?yàn)樗鼘τ谥悄芑?、自動化的特點(diǎn)都特別的相符。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，在家庭、辦公、工業(yè)等網(wǎng)絡(luò)智能化、自動化的進(jìn)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(yīng)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(lán)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(luò)技術(shù)在家庭辦公、工業(yè)等網(wǎng)絡(luò)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(shí)際應(yīng)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(luò)配置類型非常豐富，可以進(jìn)行一對一或者一對多的星形配置，也可進(jìn)行父子節(jié)點(diǎn)類型的樹形網(wǎng)絡(luò)配置，還可以采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?lt;/p><p>　　在星形網(wǎng)絡(luò)配置中，要有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，還要有一個(gè)或是多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，即終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是星型網(wǎng)絡(luò)的中心設(shè)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(diǎn)之間的通信也要經(jīng)過協(xié)調(diào)器。他是一個(gè)中間設(shè)備。可以說，

37、協(xié)調(diào)器就是一個(gè)橋梁，一個(gè)紐帶，一個(gè)交叉路口，數(shù)據(jù)的傳輸都要經(jīng)過它，在本次設(shè)計(jì)中，用到的就是星形網(wǎng)絡(luò)配置。</p><p>　　在樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，要想?shí)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(gè)建立關(guān)系。這之中，路由器的功能是為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)，將網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍變得更加廣泛。樹狀網(wǎng)絡(luò)中路由器的加入，使得子節(jié)點(diǎn)（終端設(shè)備）在協(xié)調(diào)器的射頻范圍外同樣可以加入網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　網(wǎng)狀

38、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愃?，不同的是全功能設(shè)備可以將消息發(fā)送給其他的全功能設(shè)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(shè)備來說就要通過父節(jié)點(diǎn)的連接來實(shí)現(xiàn)消息的傳輸。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，消息的傳輸時(shí)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(bào)頭 目的地址和源地址是最主要信息，同時(shí)還有一些附屬的信息。但是這個(gè)消息要

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

40、。應(yīng)用代碼要填入APS負(fù)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(jìn)行簡介。 </p><p>　　廣播 廣播就是在網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)出廣播數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)中的其它的任意節(jié)點(diǎn)都可以收到。</p><p>　　點(diǎn)播 點(diǎn)播（就是點(diǎn)對點(diǎn)）即網(wǎng)絡(luò)中隨意一個(gè)

41、節(jié)點(diǎn)對另外一個(gè)已知的網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）的節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(luò)中的全部節(jié)點(diǎn)設(shè)備在分完組之后，網(wǎng)絡(luò)中任何一組的隨意個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)σ粋€(gè)可知的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，這個(gè)可知的節(jié)點(diǎn)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(jìn)行了闡述，并進(jìn)行了分析、講述選題的背景及意義，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定了Zigbee的使用，將Zigbee的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r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(jìn)行比較，分列了Zigbee的3種通訊方式。說明其在本設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢及優(yōu)點(diǎn)。</p><p><

43、b>　　2.硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 微控制器的選擇</p><p>　　本次設(shè)計(jì)微控制器選擇的是Microchip公司設(shè)計(jì)的單片機(jī)——PIC16lf887。PIC系列單片機(jī)最突出的有點(diǎn)就是它的低功耗，而且價(jià)格便宜，性價(jià)比較高，系列全且共用一個(gè)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(yīng)用目的進(jìn)行組合而成，支持睡眠-喚醒機(jī)制，

44、對于那些低功率要求的應(yīng)用十分適合。由于它的性價(jià)比較高，目前在醫(yī)療設(shè)備、安保、各種工業(yè)儀表及軍事等領(lǐng)域都已將得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　考慮到單片機(jī)要進(jìn)行高頻的通信，以及以后的系統(tǒng)可能還可以進(jìn)行功能拓展等，在設(shè)計(jì)初選擇了PIC16LF887單片機(jī)，這是一款為低功耗需求而設(shè)計(jì)的單片機(jī)，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(gè)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(hù)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(hù)，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(shè)計(jì)<

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(shí)，他也可用于RF4 CE應(yīng)用。它可以用一個(gè)相對較低的材料成本來建立一個(gè)很廣泛的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[12]。具有多種閃存模式也是CC2530的一個(gè)特點(diǎn)之一。并且具有不同的運(yùn)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(yùn)行模式相互轉(zhuǎn)換的時(shí)間短，這也再次保證了它的超低能源的消耗。由于其硬件設(shè)計(jì)

47、越發(fā)越簡單，封裝小，兼?zhèn)涞凸奶攸c(diǎn)，應(yīng)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(jìn)行適應(yīng)IEEE 802. 15. 4的RF 收發(fā)器；而且相當(dāng)?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(jī)的C

48、PU內(nèi)核，附有中斷控制器、閃存控制器、定時(shí)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(gè)晶振就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相應(yīng)需求。世界范圍的無線點(diǎn)頻率的法規(guī)都能夠適合。</p><p>　　在CC2530的幾種為低功耗而設(shè)計(jì)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(shí)

49、運(yùn)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(shí)，其電流為0.4 μA。其電源對其實(shí)現(xiàn)的供電范圍在兩伏到三點(diǎn)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(yù)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(jìn)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(shè)：CC2530具有非常強(qiáng)大的五通道的直接存儲器存取。同時(shí)還具有IEEE 802.5.4 MAC 定時(shí)器，通用定時(shí)器。IR 發(fā)生電路。帶有捕獲功能的32kHz的 睡眠定時(shí)器。CC2530的硬件可支持CSMA/CA。同時(shí)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(shí)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(qiáng)大USART擁有兩個(gè)

51、。還有看門狗定時(shí)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(diǎn)：</p><p>　　8 位或者9

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

53、<p>　　奇偶校驗(yàn)和幀校驗(yàn)出錯狀態(tài)</p><p>　　在UART模式下提供的是全雙工傳輸，當(dāng)接收器的位同一步調(diào)時(shí)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(yàn)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(gè)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(shè)置為1的時(shí)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(jī)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(luò)可分為信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)兩種。在信標(biāo)模式下，超幀是按十六

55、個(gè)時(shí)隙劃分的，所以全都是采用時(shí)隙為最基本的單位在執(zhí)行退避時(shí)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(biāo)模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會相互競爭傳輸?shù)耐ǖ?，競爭的?biāo)準(zhǔn)就是上述所講機(jī)制。在退避時(shí)間達(dá)到一定之后會立即進(jìn)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(shí)間后重新執(zhí)行CCA。</p><p>　　CC2530要想實(shí)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(jìn)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(yīng)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(gè)中斷，這個(gè)中斷可以在中斷服務(wù)程序中讀取就可實(shí)現(xiàn)。下圖是一個(gè)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(gè)幀控制域占用一個(gè)字節(jié)，在這

57、當(dāng)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(rèn)幀和命令幀；如上圖，其確認(rèn)請求占有1位，1代表當(dāng)接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)幀和命令幀時(shí)要是對其判斷是有效幀則即向發(fā)送端反饋一個(gè)確認(rèn)幀回應(yīng)，而 0則代表接收設(shè)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(gè)幀進(jìn)行標(biāo)注，這樣就可以對每一個(gè)幀進(jìn)行相應(yīng)的匹配（這里指確認(rèn)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(biāo)地址都是兩個(gè)字節(jié)，這是因

58、為在IEEE802.15.4協(xié)議中對服務(wù)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(gè)字節(jié)，所以，其有效的負(fù)載字節(jié)長度只能是1-119字節(jié)。</p><p>　　節(jié)點(diǎn)通信機(jī)制就數(shù)據(jù)的發(fā)送來說可以分為3種方式：非CSMA-CA機(jī)制、非 時(shí) 隙的CSMA-CA機(jī)制和 時(shí)隙CSMA-CA機(jī)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(gè)表匹配。該表長96 字節(jié)，因此可以包含多達(dá)：24 個(gè)短地址（每個(gè)2+2 字節(jié)）、12 個(gè)IEEE 擴(kuò)展地址（每個(gè)8 字節(jié)）。</p><p>　　2.3 溫濕度信號采集電路設(shè)計(jì)</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(shè)計(jì)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(gè)濕度反映原件和一個(gè)溫度反映原件制作成的。其中的濕度感應(yīng)原件是電容性的，而溫度感應(yīng)原件是一種能隙材料。并且與串行接口電路還有一個(gè)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(zhǔn)時(shí)，是與冷凝式的濕度計(jì)做比對，并且嚴(yán)格的要求在濕度腔室內(nèi)進(jìn)行。其濕度的檢測相對來說十分準(zhǔn)確。它的校準(zhǔn)系數(shù)是以程序的方式存進(jìn)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(shè)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(shè)計(jì)選擇它的主要原因之一。</p><p><b>　　SHT10的特點(diǎn)：</b></p><p>　　同時(shí)對相對濕度和溫度進(jìn)行測量</p><p>　　全部校準(zhǔn)，數(shù)字式輸出</p><p>　　接口簡單，兩線制，響應(yīng)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(shè)計(jì)的微控制器使用同一電源。芯片

63、在通電之后不會立即運(yùn)行，要經(jīng)過一個(gè)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(gè)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(shí)鐘輸入引腳。SCK引腳是控制器與該芯片之間通信時(shí)的同步時(shí)鐘信號引腳，該芯片沒有最小的頻率，這是因?yàn)樵谄浣涌谔幘哂腥o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(shí)鐘脈沖結(jié)束時(shí)，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(shí)有效。微控制器與傳感器進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，當(dāng)串行時(shí)鐘SCK保持為1的輸出時(shí)，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(gè)上拉電阻，將數(shù)據(jù)線未被驅(qū)動時(shí)的電平拉高。如果要求此時(shí)輸出一個(gè)高電平信號，則只要命令控制器相應(yīng)引腳置為

65、高阻態(tài)，則通過上拉電阻作用就能輸出一個(gè)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(shí)序</p><p>　　微控制器通過一串命令時(shí)序來發(fā)動一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程。具體時(shí)序?yàn)椋涸诖袝r(shí)鐘SCK為高電平信號的時(shí)候，DATA數(shù)據(jù)線要從高電平變?yōu)榈碗娖?，然后在串行時(shí)鐘發(fā)出一個(gè)脈沖后，在

66、隨之的串行時(shí)鐘為高電平的時(shí)候，DATA再變?yōu)樵鹊母唠娖讲⒈３?。隨后的時(shí)序中要有地址位和命令位。其中地址位為3個(gè)，命令位為5個(gè)。在傳感器接收到命令并且確認(rèn)無誤后，在串行時(shí)鐘的第八個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)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(shí)序</p><p>　　在SHT10的測量命令中，規(guī)定了用“000 00101”這樣一串?dāng)?shù)字性的命令來表示對相對濕度進(jìn)行測量

67、，而用“00000011”來表示對溫度進(jìn)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(jìn)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(gè)時(shí)間是因?yàn)?，他們分別對應(yīng)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(shí)間脈沖的晶振，所以測量的時(shí)間的長短因晶振的變化也有一定的變化。在整個(gè)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(shí)，首先要重啟串行時(shí)鐘SCK，在這之前，要等待SCK發(fā)出一個(gè)信號，說明傳感器已經(jīng)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。隨后會傳輸共三個(gè)字節(jié)的信息，其中包含了兩個(gè)字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)。為了確認(rèn)這里的任一個(gè)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(rèn)CRC校驗(yàn)字節(jié)后，通信結(jié)束。這里要是沒有用到校驗(yàn)字，那么在傳感器測量完數(shù)據(jù)后通過檢測確認(rèn)位是否為高來結(jié)束通信。在完成了所有工作后，傳感器進(jìn)入休息

69、狀態(tài)。這樣也可減少能</p><p>　　在與傳感器進(jìn)行通信時(shí)，如果出現(xiàn)斷點(diǎn)，則可利用復(fù)位的信號來將串口重新連接。具體的時(shí)序則是要首先維持?jǐn)?shù)據(jù)線置位1，然后讓串行時(shí)鐘發(fā)出多余九個(gè)脈沖，之后需要一連串的啟動序列。但是這些工作指示回復(fù)通信，其他各個(gè)內(nèi)部器件不發(fā)生變化。</p><p>　　圖2.3.3 復(fù)位時(shí)序</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸中要通過一個(gè)CRC—8校驗(yàn)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(shí)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(shè)計(jì)</p><p>　　對于本次設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)裝置，我們對溫度和濕度分別進(jìn)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(jìn)而控制繼電器觸點(diǎn)的閉合/斷開而達(dá)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(dá)不到要求，所以這里只進(jìn)行對環(huán)境濕

71、度的增強(qiáng)，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(jìn)行改裝，接入本設(shè)計(jì)的繼電器，則可以達(dá)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(fù)雜，這里使用電機(jī)的運(yùn)行模擬對環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)，當(dāng)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(gè)高電平，就會控制電機(jī)運(yùn)行，并且可以控制施加信號的占空比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而達(dá)到預(yù)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(shè)計(jì)</p><p>　　LCM12864，這是本次設(shè)計(jì)選擇的顯示器。主要對設(shè)定的溫濕度進(jìn)行顯示，以便使用者可以清楚知道

73、當(dāng)前設(shè)定溫濕度狀況，也可以及時(shí)的調(diào)節(jié)。LCM12864是點(diǎn)陣型液晶模塊。其內(nèi)部設(shè)置的漢字和字符十分豐富，完全可以達(dá)到我們本次設(shè)計(jì)的要求。借口方式較為靈活、簡單，操作指令方便，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(diǎn)。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(fù)電壓。無需片選信號，從而簡化了軟件的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)</p><p>　　鍵控模塊這要完成的功能是對終端

75、設(shè)備進(jìn)行溫濕度原始數(shù)據(jù)的預(yù)設(shè)，終端設(shè)備可以根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對所在環(huán)境溫濕度進(jìn)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(gè)鍵位以足夠滿足對終端設(shè)備的溫濕度設(shè)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(yīng)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(shí)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(gè)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(shè)計(jì)</p><p>　　在這次系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)要求中要

77、求設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)所使用的電源芯片是78L05和ASM1117-3.3這兩個(gè)芯片。利用78L05我們可以輕松的得到一個(gè)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)電壓值。而且同時(shí)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(gè)原件運(yùn)行起來。這是，由于二極管的陰極與VCC共點(diǎn)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(dāng)斷開220V電源后，VCC處會立刻失去電壓變?yōu)?，這時(shí)，在二極管的陽極和陰極間會出現(xiàn)一個(gè)壓降，二極管導(dǎo)通，則VCC處便又重新獲得+5V電壓，3.3V處也會同時(shí)正常工作，這時(shí)，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(shè)計(jì)、調(diào)控模塊、設(shè)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(shè)計(jì)要求中低功耗、性價(jià)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(shè)備，負(fù)責(zé)實(shí)際環(huán)境溫度的檢測和調(diào)控，其中終端設(shè)備的射頻主要負(fù)責(zé)接收主機(jī)設(shè)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(jī)部分，主要負(fù)責(zé)對終端設(shè)備調(diào)控值的設(shè)定與監(jiān)測。</p><p><b>　　3.軟件部分設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 軟件設(shè)計(jì)總體方案</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由

82、終端設(shè)備和主機(jī)部分兩大部分組成，所以在軟件部分設(shè)計(jì)時(shí)，要分別對終端設(shè)備和主機(jī)部分編程。主機(jī)部分完成從按鍵輸入、設(shè)定，并且要在12864液晶顯示器上顯示出設(shè)定值，最后將設(shè)定值通過無線收發(fā)電路利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端設(shè)備中去。終端設(shè)備完成的是接收來自主機(jī)部分（協(xié)調(diào)器）的數(shù)據(jù)，并且同時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與主機(jī)部分發(fā)送來的設(shè)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(shí)時(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)，直到符合要求為止方可停止控制模塊的運(yùn)行。這兩個(gè)部分的運(yùn)行都是一個(gè)動態(tài)的過程。在Zigbee的使用過程中，還要對其進(jìn)行組網(wǎng)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸，首先要建立一個(gè)相對完善的Zigbee自己的

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

85、就要進(jìn)行協(xié)調(diào)器的初始化，而在這之前，就要通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立新網(wǎng)絡(luò)的原語，發(fā)起原語的節(jié)點(diǎn)要具備兩個(gè)條件：第一是這個(gè)節(jié)點(diǎn)要具備ZigBee協(xié)調(diào)器的功能，第二是這個(gè)節(jié)點(diǎn)必須是沒有加入其他的網(wǎng)絡(luò)。任何不滿足這兩個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)不論怎樣，在發(fā)出建立新網(wǎng)絡(luò)的原語進(jìn)程中都會被網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體給終止。</p><p>　　在協(xié)調(diào)器聲明建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)相關(guān)進(jìn)程會開始運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)成會對MAC層進(jìn)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(gè)階段。一個(gè)是能量掃描。一個(gè)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(jìn)行能量掃描，用來排除干擾。網(wǎng)絡(luò)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(gè)能量值，根據(jù)能量值的大小將這些通信通道從小到達(dá)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(jìn)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(luò)的信道。假如沒有適合建

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

88、p><p>　　設(shè)備加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，必須要經(jīng)過組網(wǎng)時(shí)設(shè)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(shè)置MAC層各項(xiàng)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(shè)定入網(wǎng)的相關(guān)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(shè)定有著不同的狀態(tài)?？梢允窃试S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(shí)間內(nèi)入網(wǎng)。</p><p>　　3.2.2節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　任意一個(gè)終端設(shè)備加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，在與協(xié)調(diào)器建立關(guān)系的過程中又可分為兩種方法，一個(gè)是通過與MAC層的連接關(guān)系建立，另一個(gè)是將之前的一個(gè)協(xié)調(diào)器設(shè)置為父節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)建立關(guān)系后直接入網(wǎng)。</p><p>

90、　　在通過物理層關(guān)聯(lián)入網(wǎng)中，首先要利用子節(jié)點(diǎn)通過組網(wǎng)原語發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程，在網(wǎng)絡(luò)層收到子節(jié)點(diǎn)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(biāo)識符的幀。在掃描過程中，確認(rèn)到的信標(biāo)幀需經(jīng)由MAC層報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)層，此步驟有組網(wǎng)原語實(shí)現(xiàn)，某種程度上將，子設(shè)備可以本次進(jìn)程中的一些信道，地址等相關(guān)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(luò)層管理實(shí)體，一邊上層選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入。如果上冊需要更多網(wǎng)絡(luò)，則可重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索。如不需要，直

91、接選擇一個(gè)檢測到的網(wǎng)絡(luò)直接加入即可。這里我們要注意，不是所有的父節(jié)點(diǎn)都可用來入網(wǎng)，要想入網(wǎng)，次父節(jié)點(diǎn)要滿足下列條件：標(biāo)識符必須是可以匹配的、能夠允許子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，則告知上層。若存在很多符合要求的父節(jié)點(diǎn)，則隨機(jī)選擇一個(gè)加入。父節(jié)點(diǎn)確認(rèn)好后，網(wǎng)絡(luò)層就會利用這個(gè)父節(jié)點(diǎn)來作為入網(wǎng)的橋梁。作為響應(yīng)入網(wǎng)請求，父節(jié)點(diǎn)將告知網(wǎng)絡(luò)層目前有入網(wǎng)請求。網(wǎng)絡(luò)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(rèn)在其網(wǎng)絡(luò)中是否存在該節(jié)點(diǎn)。若有，則網(wǎng)絡(luò)層與MAC層會發(fā)出連接請求并且確定其網(wǎng)絡(luò)地址。若</p><p>　　子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)還可以與設(shè)置完成的父節(jié)點(diǎn)建立連接間接入網(wǎng)。父節(jié)點(diǎn)通過組網(wǎng)原語處理設(shè)備直接入網(wǎng)的過程，父節(jié)點(diǎn)先要確認(rèn)在其鄰居表中是否有節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展地址能過匹配的上。若存在，父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將結(jié)束進(jìn)程通知上層此設(shè)備已存在設(shè)備列表之中。如果不存在，則有父節(jié)點(diǎn)為其指定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址

93、。當(dāng)然，前提也是在父節(jié)點(diǎn)的地址空間還有剩余。子節(jié)點(diǎn)在與父節(jié)點(diǎn)建立關(guān)系時(shí)，要經(jīng)過一個(gè)獨(dú)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(shè)備，MAC層會告知網(wǎng)絡(luò)層，之后對上層發(fā)出一個(gè)成功響應(yīng)，即組網(wǎng)成功，可以進(jìn)行正常的通信[18]。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中的編譯軟件也是Microchip公司免費(fèi)為用戶發(fā)布的軟件MPLAB，MPLAB只能進(jìn)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(jìn)行單片機(jī)型號的選擇，使用十分方便，但是要注意，MAPLB在建立工程的時(shí)候，其路徑不識別中文路徑，只能將路徑名稱設(shè)定為英文或者是符號、數(shù)字。下圖為本次設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)</p>

95、<p>　　主機(jī)設(shè)備要完成的功能主要是環(huán)境溫濕度調(diào)節(jié)值的設(shè)定與顯示功能，同時(shí)將設(shè)定值發(fā)送到終端設(shè)備中去。這其中包含了三個(gè)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(gè)連接端口進(jìn)行初始化設(shè)定，使用TRISx語句設(shè)定相應(yīng)接口的輸入和輸出，用1表示微控制器的相應(yīng)端口輸入，0代表相應(yīng)端口實(shí)現(xiàn)信號輸出。使用PORTx語句設(shè)定初始時(shí)各個(gè)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(shí)，要先在初始化時(shí)設(shè)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(jìn)而對下一列進(jìn)行如上操作，以此方法便能檢測到到底是哪個(gè)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(shí)現(xiàn)程序這里就不做贅述。同時(shí)，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(shè)備中去。這里要說明

97、的是，在矩陣鍵盤的十六個(gè)按鍵中，將16個(gè)按鍵分別賦予相應(yīng)的溫度值和濕度值，這樣，便可以相應(yīng)的簡化程序。主機(jī)設(shè)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(jī)部分程序流程圖</p><p>　　3.3.2 終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　終端設(shè)備是本系統(tǒng)的核心部分，因?yàn)榻K端設(shè)備要完成的工作正是設(shè)計(jì)初始預(yù)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(shè)備的程序編寫中可以分為以下幾個(gè)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(jìn)行通信。程序初始，同樣先對微控制器的各個(gè)端口進(jìn)行初始化設(shè)定，使用TRISx語句設(shè)定相應(yīng)接口的輸入和輸出，用1表示微控制器的相應(yīng)端口輸入，0代表相應(yīng)端口實(shí)現(xiàn)信號輸出。使用PORTx語句設(shè)定初始時(shí)各個(gè)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(jī)發(fā)來的設(shè)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(gè)連接端口都設(shè)定為輸出狀態(tài)。設(shè)定數(shù)據(jù)線引腳置位1，同時(shí)串行時(shí)鐘線SCK發(fā)出九次脈沖，發(fā)送啟動傳輸，通訊復(fù)位。接著，進(jìn)行一位一位的數(shù)據(jù)讀寫，下拉DATA至低電平讓芯片進(jìn)入空閑模式。再次啟動SCK時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)時(shí)，控制器必須要先等待一個(gè)“數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好”的信號。接下來傳輸數(shù)據(jù)和校驗(yàn)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(shè)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(shè)計(jì)思路先進(jìn)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(shí)現(xiàn)流程，介紹了協(xié)調(diào)器的建立和子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行了介紹，之后分部分對系統(tǒng)的程序進(jìn)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(jìn)行了流程圖描述。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)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(luò)在近幾年的發(fā)展?fàn)顩r，和其現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r等信息，并且結(jié)合了我們?nèi)祟惾粘Ｉ钚枰蛯?shí)用性而產(chǎn)生對本系統(tǒng)最初

102、的設(shè)計(jì)思想。貼近人們的生活，當(dāng)以人們所處的環(huán)境為最先決的條件，一個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的智能家居辦公溫濕度調(diào)控系統(tǒng)是建立在單片機(jī)的平臺上的一個(gè)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(luò)和外部設(shè)備控

103、制集成為一體，無線傳感網(wǎng)絡(luò)則采用設(shè)計(jì)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(fù)研究和調(diào)查，本次的方案設(shè)計(jì)性價(jià)比高，開發(fā)周期短，維護(hù)方便，而且具有很好的擴(kuò)展行，對于今后的后續(xù)開發(fā)有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下方面：</p><p>　　本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是Zigbee的無線傳感技術(shù)在智能化方面的應(yīng)用方案，這在當(dāng)今的技術(shù)開發(fā)

104、和應(yīng)用方面的研究都十分具有實(shí)用性。</p><p>　　系統(tǒng)的各個(gè)部件都采用低功耗產(chǎn)品，比如，低功耗單片機(jī)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(shè)計(jì)中采用的射頻芯片可以有四種工作方式。在倡導(dǎo)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(shè)計(jì)中采用Zigbee的星形網(wǎng)絡(luò)方式，網(wǎng)絡(luò)建立簡單，除去了樹型網(wǎng)絡(luò)拓

105、撲和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋷淼穆酚晒δ茉O(shè)置等繁瑣問題，在實(shí)現(xiàn)了要求的基本的功能的情況下，應(yīng)用簡單、方便，易于理解和個(gè)人操作。</p><p>　　對于本設(shè)計(jì)的后期完善問題，我認(rèn)為，可以將智能家居的范圍擴(kuò)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(gè)生活電氣都結(jié)合進(jìn)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(gè)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(shè)計(jì)并沒有研究的很深入，后續(xù)還要對Zigbee的各種建立網(wǎng)絡(luò)的方法還要再進(jìn)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(shí)現(xiàn)將Zigbee與WLAN網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)上傳，使人們在離家很遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，使得我對無線傳感網(wǎng)絡(luò)有了新的認(rèn)識，理解了單片機(jī)的控制原理，更對信號的采集與處理有了了解。通過此次設(shè)計(jì)，提高了我獨(dú)自處理問題的

107、能力、對信息、資料的處理能力和單片機(jī)、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(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)。當(dāng)然，在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dǎo)致程序?qū)τ谝恍┕δ軟]有體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)，后來，嚴(yán)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(gè)學(xué)習(xí)的過程，這也是我在本次設(shè)計(jì)過程中得到的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)之一。由于時(shí)間與技術(shù)知識的限制，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有