标签: CC2430

　　ZigBee技术是一种最新兴起的功耗较低、数据传输速率低、传输距离短、低成本、复杂度低的无线网络技术，IEEE80211514是它的基础标准，这是IEEE无线个人区域网PAN（PersonalAreaNetwork）工作组的一项标准。伴随着MEMS技术和无线通讯技术、传感器技术的飞速发展，无线传感器网络在工业控制、军事生产、生活、医疗、教育科研中有了更广泛的应用。为此，论述了在智能家居中一种架构于CC2430芯片基础上面的无线数据传输模块的设计方法。 　　1　ZigBee技术及其优势 　　ZigBee技术是一种新兴的无线网络技术，具备了IEEE80211514强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；并增加了逻辑网络层、网络安全层和应用层。ZigBee的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合，其技术的主要优点：①数据传输速率低；②功耗低；③通信可靠性高；④时延短；⑤网络容量大；⑥数据的安全性高。 　　由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、方便路由等技术特点，可以看出应用ZigBee技术作无线传感器网络节点的无线通讯是可行的。 　　2　CC2430芯片简介 　　CC2430是芯片巨人TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在CC2420的基础上绑定了ZigBee协议栈，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM和其他一些功能，适用于IEEE80211514和ZigBee应用。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA.CC2430芯片的主要特点如下： 　　①较宽的电压范围（210～316V）； 　　②优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅019μA的流耗，外部中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于016μA的流耗，外部中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能； 　　③4种可编程功耗模式；可编程的看门狗定时器；上电复位功能；支持硬件调试功能； 　　④8KB的SRAM,其中4KB可在所有功耗模式下保持数据；兼容RoHS的7×7mmQLP封装； 　　⑤32MHz单指令周期低功耗的8051微控制器核；集成兼容IEEE80211514标准214GHz频段的RF无线电收发机； 　　⑥集成了14位模数转换的ADC;集成AES安全协处理器；带有2个强大的、支持几组协议的USART,以及1个符合IEEE80211514规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。 　　3　总体硬件设计 　　智能家居安防中的红外检测设计与实现主要要求检测屋里是否有人入侵，无论是潜伏里面的或是刚进入的，能把报警信息反馈到主人跟物管处，方便主人无论是白天或晚上外出，能知道家里情况。检测只能在屋里进行，排除屋外的检测，造成报警干扰。故检测部分选用红外，其优点为： 　　①探测器只响应红外线，故白天、黑夜均可以工作； 　　②能鉴别出运动的生物与其他非生物； 　　③能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号； 　　④遇障碍物通讯中断。 　　其中无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大地简化了射频电路的设计。 　　传感器模块采用集成红外线探测传感器PD632和微功率运算放大器HT9274集成电路。电源模块采用两节115V的5号电池供电。在设计中CC2430的引脚P115用于SCK,P111用于DATA输入，P112用于数据传送时亮灯显示。 　　4　程序设计 　　系统的软件架构由数据采集端软件和数据接收端的软件组成，都包含有发射程序和接收程序。其中都含有初始化的程序。其中初始化的程序主要是对单片机射频芯片SPI等进行初始化设置；发射程序将打包的数据包通过单片机的SPI接口送至射频发生模块输出；接收程序完成终端采集数据的接收并做出相应的处理。其中数据采集软件流程图如图1所示。在数据采集和数据传输过程中，MCU微控制器首先初始化管理跟信道的选择，低功耗定时器运行准备接收信号，等待传感器请求信号，假如请求合法，则初始化采集数据，采集完毕后通过CC2430发送，完成数据采集功能。   　　下面给出数据采集主程序。 　　5　结语 　　在总结归纳对芯片CC2430已有研究设计的基础上，阐述了基于CC2430的无线传感器网络节点硬件和软件的设计与实现。经实验测试，节点能够采集红外的检测数据并将采集的数据传回主机，实现智能家居中的红外报警信号的收发。本文的研究为进一步的安防系统设计提供了一种设计方案。 　　通过努力，一个功能更加完善，并且基于ZigBee技术的智能家居安防系统将会得到应用。

　　1 引  言 　　随着社会的进步，节能和环保已是大势所趋，在照明领域中，采用新型节能光源、节能电器及高效灯具来达到节约电能的目的，已广泛被人们所接受。但如何通过节能照明设计来达到节约能源的目的才刚被人们重视。基于有线的照明控制系统，具有布线麻烦，增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高以及移动性能差等缺点，因此无线通信技术，是实现智能照明系统的理想选择。近年来，近距离无线通信技术获得了迅猛的发展。其中主流技术包括红外技术、蓝牙 (Blue-tooth)、Wi-Fi、UWB(Ultra-Wideband)和ZigBee技术等。它们都有各自的标准、特点和相应的应用领域，另外还有Z-Wave和MiWi等专有无线技术。智能照明系统自身的要求和ZigBee技术具有的特点，决定了ZigBee是实现无线智能照明系统的最佳解决方案。 　　无线智能照明系统的控制器与照明灯节点之间只需传输开关信号和调光信号等开光量，且数据发送频率不高，而ZigBee的最大传输速率可以达到250 kb／s，这对于实现无线智能照明系统来说已经足够；无线智能照明系统的各个灯节点往往需要组成一个星型网、簇状网或者网状网，节点数量在几十到几千个之间，ZigBee对以上拓扑结构都做了很好的支持，且网络最大节点数可达65 535，很好地满足了无线智能照明系统对网络结构及容量的要求，而这是蓝牙和红外技术所无法满足的；不同厂家生产的无线智能照明系统的各种节点之间要求具有互操作性，ZigBee是一个开放式全球标准，世界各大ZigBee方案提供商都通过ZigBee Alliance的兼容性测试，并且ZigBee Allianee针对照明系统，专门制定了相应的Profile，因此不同厂家基于ZigBee技术开发的灯节点之间可以进行互操作和相互替换，从而保障生产商和用户的利益和成本投入，这是Z-Wave和MiWi等专有的无线技术所无法满足的；智能照明系统，比如智能家居，需要所有房间和楼层间的通信，这就需要系统具有穿墙的信号传递功能和网络功能，ZigBee工作在2.4 GHz的ISM频段，节点之间的最大通信距离可达100 m，信号具有一定的穿墙能力，并且ZigBee支持路由节点，只要合理布局，可以保证建筑物内没有无线通信的盲区，这是红外技术所无法提供的；ZigBee具备较快的响应特性，2个节点之间的一次数据发送过程在5 ms之内即可完成，满足照明系统对实时性的要求；照明系统对成本非常敏感，这将决定它能否实用化和产业化，ZigBee是一种低速率、低成本的无线通信技术，相比于Wi-Fi和UWB等这些适用于无线局域网和多媒体应用的高速率无线标准而言，成本非常低廉。本文主要讨论基于ZigBee技术的无线智能照明系统的软硬件设计。 　 　2 基于ZigBee的智能照明系统的实现 　　ZigBee是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了802.15.4工作组，规定了ZigBee的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了 ZigBee联盟，负责ZigBee规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下正日趋增强和完善，其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。 　　2.1 硬件设计 　　无线智能照明系统的网络节点分为协调器、路由器和终端节点三种。其中，协调器的硬件结构框图如图1所示。 　　CC2430 芯片是首款符合ZigBee技术标准的系统单芯片，片内集成增强的8051微控制器内核和符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频收发器，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能，处于休眠模式时整个芯片的流耗小于0.9 μA，从硬件上支持CSMA／CA机制，还集成有ADC，AES安全协处理器和USART等片上外设及丰富的I／O口资源。只需添加晶振等少量的元器件即可完成ZigBee节点的设计。协调器节点带有44的键盘，用来设置整个系统的参数和发送控制命令，12 864汉字图形点阵液晶模块用于显示网络状态信息。微控制器输出开关量直接完成对照明灯的开关控制，微控制器输出的数字量经过8位的数／模转换器后，可以实现对照明灯的256级调光控制。另外，协调器节点还带有震动感测器和亮度感测器，用于感测现场的震动信息和亮度信息。当震动感测器测得震动较弱，即认为现场人员已经离开，此时可以自动关掉照明灯或者调暗亮度。当亮度感测器测得光线太亮，如晴朗的白天，即可自动调低亮度，当亮度感测器测得光线太暗，如夜晚或者阴雨的白天，即可调高亮度。系统只需在一个节点上集成震动感测器和亮度感测器，即可通过ZigBee网络向各个灯节点传输控制信息，实现对整个照明系统的智能控制、成本低廉。当然也可以将震动感测器和亮度感测器做成一个单独的ZigBee网络节点，用于感测现场不同位置的震动信息和亮度信息。   　　2.2 软件设计 　　软件设计基于TI公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-Stack协议栈和IAR集成开发环境。Z-Stack在业内处于领先水平，目前还在不断完善和增强，其最新版本Z-Stack 1.4.2，通过ZigBee测试机构德国莱茵集团的ZigBee兼容性测试，符合ZigBee 2006 specification，已被全球众多ZigBee应用开发厂家所采用，支持多种硬件平台，包括面向IEEE／ZigBee的CC2430片上系统解决方案，基于CC2420收发器的新平台和MSP430超低功耗微处理器。此外，Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，即通过ZigBee网络，下载网络中各节点的升级软件，完成节点的软件升级。Z-Stack还支持具备定位感知功能的CC2431，该特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变节点行为的新型ZigBee应用。 　　针对ZigBee在家庭网络方面的应用，ZigBee Alliance制定专门的应用框架，即ZigBee Home Automation Public Application Profile。所谓Profile是对逻辑设备及其接口的描述集合，是针对某个特定应用的公约和准则，其目的是使不同厂家按照同一个ProfiIe设计的产品之间可以相互操作、相互替换。ZigBee HomeAutomation Public Application Profile规定了智能家居中的照明设备、采暖通风空调设备、自动窗帘和报警装置的设计规范。本文的无线智能照明系统就是在这个Profile的基础上实现的。 　　Z-Stack提供了丰富的函数调用接口，其中用于发送数据报的函数如下： 　　其他具体的程序设计在这里不做一一阐述。 　　3 无线智能照明系统的实验结果 　　在一个两室两厅的套房中布置1套基于ZigBee技术实现的无线智能照明系统的实验网络，其网络结构如图2所示。 　　在每盏灯中都集成有ZigBee模块，其中协调器节点是必需的。在其他地方，根据是否需要路由功能，可以配置为路由器或者终端节点。因为协调器节点和路由器节点具有路由功能，协议栈容量较大，所需的FLASH空间较大，芯片的成本也较高，因此只把需要给其他节点路由转发数据报的节点配置为路由器节点，其他节点则都配置为终端节点，以降低成本。室内所有的照明灯组成一个ZigBee网络，由协调器完成对所有照明灯的控制。可以对网络中的照明灯单个分别进行控制，也可以把所有的照明灯作为一个整体，进行同时控制；实现了对照明灯的简单开关控制和256级的调光控制；既可以设置成手动控制模式，也可以设置成自动控制模式，由协调器根据亮度感测器和震动感测器返回的亮度信息和震动信息，自动发送控制命令，完成对所有照明灯的控制。系统设计成本低廉，可靠性高、响应速度快、智能化程度高，是不断发展的电子信息技术在照明领域中的应用，必将带来照明技术的革新。 　　4 结语 　　随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展和人们物质生活水平的提高，家居智能化正成为国内外的一个研究热点。基于ZigBee技术的无线智能照明系统目前主要应用在智能大厦和高档住宅。但是，随着技术水平的不断完善，相关产品的价格会逐步降低，巨大的民用市场将是最终的发展方向。该系统在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，对节约电能的消耗也起到了很大的作用，符合国家节能减排的发展战略。

        理想系列DREAMRF-CC2430实验箱工作在2.4G频段，通信标准采用IEEE802.15.4/ZigBee协议通过多种传感器模块如：温度传感器，湿度传感器，加速度传感器，光敏传感器，压力传感器等，将采集到的数据，经ZigBee芯片CC2430以无线网络（比如星状结构、树状结构、网状结构等）的方式汇集到中心节点，然后中心节点通过USB传送到功能强大的结点工作监视终端实现全网拓扑的展示以及对于全网信息处理。非常方便于老师向学生讲解无线传感器网络的构成及其具体工作模式。通过学习，进一步进行自主创新活动，知识体系完整，过渡流畅。     理想系列DREAMRF-CC2430实验箱主要是针对无线传感器网络课程的教学。可以用来组建无线传感器网络实验室，利用教学平台可以很好的讲解和演示无线传感器网络中的各种概念和特性。组建无线传感器网络实验室能最有效的进行无线传感器网络技术的教学。使学生非常直观的理解无线传感器网络中的核心概念。      该创新开发套件适用于电子信息、通信、计算机、自动化、工业控制、环境等专业的本科生教学和创新实验，研究生的自主开发研究，主要在以下方面：智能家居、智能农业、智能能量监控、环境监测、无线测量、工业自动化、智能仪器仪表等应用。      无线传感器网络技术被评为是未来四大高技术产业之一，可以预见传感器网络将会是继互联网之后一个巨大的新兴产业，同时由于无线传感网络的广泛应用，必然会对传统行业起到巨大的拉动作用。无线传感器网络技术，主要是针对短距离、低功耗、低速的数据传输。数据节点之间的数据传输强调网络特性。数据节点之间通过特有无线传输芯片进行连接和转发形成大范围的覆盖容纳大量的节点。传感器节点之间的网络能够自由和智能的组成，网络具有自组织的特征，即网络的节点可以智能的形成网络连接，连接根据不同的需要采用不同的拓扑结构。网络具有自维护特征，即当某些节点发生问题的时候，不影响网络的其他传感器节点的数据传输。正是因为有了如此高级灵活的网络特征，传感器网络设备的安装和维护非常简便，可以在不增加单个节点成本同时进行大规模的布设。 理想系列ZigBee无线传感器网络实验箱DREAMRF-CC2430由1 .PC机部分、2.网关部分、3.路由节点部分、4.传感器节点部分四部分组成，用户可以很方便的实现传感器网络无线化，网络化，规模化的演示，教学，观测和再次开发。   整体开发概念示意图如图所示。     1．PC机：完成接收网关数据和发送指令，实现可视化，形象化人机界面，方便用户操作，观察； 2．网关：完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机； 3．路由节点： 在网关不能和所有的传感器节点通信时，路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能； 4. 传感器节点：完成对设备的控制和数据的采集，包括灯的控制温度、光照度、加速度数据等等。         ZigBee无线传感器网络根据不同的情况可以由一个网关，一个或多个路由器，一个或多个传感器节点组成。系统大小只受PC软件观测数量，路由深度，网络最大负载量限制。        ZigBee2006无线传感器网络在没有进行网络拓补修改之前支持5级路由，31101个网络节点。传感器网络系统结构图如图所示。   产品图片：       功能特点：     网络平台：包括以ZigBee片上系统CC2430为核心的IEEE802.15.4/ZigBee网络，100M以太网等集成于一个平台。 嵌入式开发集成：该平台采用最新ARM9微控制器为核心，配置大型彩色TFT液晶显示屏和高级触摸屏，支持UCOS-II实时操作系统和GUI图形软件，文件系统等，将ARM 32位微控制器和多种无线网络模块有机结合，为使用32位ARM微控制器开发各种无线网络，提供了方便途径。     多种传感器和控制接口：板上模块接口包括最新的温度、湿度，光线，压力，3轴加速度等传感器，LED, 键盘，串口，直流、步进电机等；也可以通过模块置换增加更多类型传感器模块；大量软件代码，实现了和这些传感器的控制接口，是ARM微控制器可以和各种无线有线网络进行实时连接，实时数据采集和分析，自动控制管理。 扩展设计包装方便深入开发：区别于目前市面上各种ARM开发系统，无线龙通讯科技公司同时提供ZigBee、Wi-Fi和蓝牙无线传感器网络扩展设计包装，这些扩展包装包括仿真器，编译调试系统，无线网络协议栈和应用软件源代码，方便用户从底层协议级别，软件和高级硬件方面进行教学实验，应用产品研究开发。     深圳市无线龙电子有限公司 刘玲娇 手机：15013747632 QQ ：2206322543 

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