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1、 毕 业 设 计 设计题目 无线传感网络温度采集控制的设计与实现系（部） 学科专业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 二一四年摘要本文全面地对无线传感器网络以及ZigBee标准做了研究分析，重点对ZigBee网络的组网进行了分析，重点对ZigBee网络的组网进行剖析，研究了ZigBee技术的组网方式，给出了基于ZigBee的无线传感器网络的总体设计方案。并结合CC2530 ZigBee开发套件，以ZigBee协议为基础，设计实现了小型ZigBee星型网和簇树网。本文通过对无线传感网络采集控制的设计与实现，完成了小型ZigBee无线传感器网络的搭建、温度传感器数据的传输和传感器采集数据的管理，得
2、到了良好的结果。关键词:ZigBee 无线传感器网络 传感器数据采集AbstractThis paper deeply analyzes wireless sensor networks and ZigBee standard, especially in the building of ZigBee networks. It expounds some key points in themanner of building ZigBee networks, like the establishment and maintenance of networks, theflow of devic
3、e joining the networks. Moreover, it designs and realizes a mini start networkand cluster-tree network with the ZigBee development suite CC2530 based on the ZigBee protocol. This paper based on the design and implementation of wireless sensor network acquisition control, with the building of ZigBee
4、wireless sensor networks, the transmission oftemperature and humidity sensor data, and the database management of these data. It predictsthe endpoint lifetime, and verifies the results with the measurement in practice as well. Key Words: ZigBee Wireless Sensor Networks ISensor data acquisition目录第1章
5、绪论11.1课题研究背景及意义11.2无线传感网络的简介11.3无线传感网络的发展现状21.4无线传感网络主要特点31.5无线传感网的协议层次41.6无线传感网络应用7第2章 系统方案设计92.1 ZigBee技术发展概况92.2 ZigBee技术特点及应用92.3 无线传感网原理102.4 Z-stack 协议112.5系统构成设计122.5.1系统组成框图122.5.2系统功能说明13第3章 开发平台的组建和实现153.1系统平台软件的构成153.1.1 IAR Embedded Workbench IDE153.1.2 JLINK仿真器驱动153.1.3串口调试助手163.1.4 ZSt
6、ack-CC2530-2.2.2-1.3.0163.1.5 Keil Vision4软件开发平台的介绍17第4章 系统硬件单元组成194.1传感器194.1.1温度传感器194.2 CC2530204.2.1 CC2530芯片的组成204.2.2 8051单片机的组成结构204.2.3 CC2530芯片的引脚及功能介绍224.3 系统硬件单元24第5章 系统的调试与运行265.1验证工程创建是否正确和验证仿真是否有校265.2 验证Z-STACK协议栈中的ADC采集的使用335.2.1 调试过程335.2.2调试结果叙述40结束语41致谢42参考文献43第1章 绪论1.1课题研究背景及意义无线
7、传感器网络通常应用于军事、环境、楼宇控制、保健、交通等领域，针对无线传感器的应用背景，对其终端的要求是尽量节省系统能量消耗、尽量节省信息处理以及简易的信号收发。而对于无线传感器网络中的网络协议的要求是:用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，使到处存在接入可能;利用广播信息，避免交互应答;简化的协议层次、简练的信令方式;节省的系统开销等。ZigBee技术的产生正是基于无线传感器网络终端和网络协议的要求。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中。ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议，能最
8、大可能的节省网络中能量，可随时接入大量节点，具有高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感器网络的首选网络协议。由传感器和ZigBee装置构成的ZigBee无线传感器监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，同时，ZigBee技术的网络扩展能力很强，理论上，一个ZigBee网络可容纳65536个节点，适合于各种需要数据自动采集并要求网络传输的领域，具有极其广阔的应用领域和很高的研究价值。1.2无线传感网络的简介无线传感网络（WSN）是一个涉及传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理等学科的前沿热点研究领域，目的是实时地监测、感知和采集节点部署区域中观察者感兴趣的各种
9、信息（如温度、湿度、噪音等），并将这些信息通过自组织无线通信网络发送出去。一个典型的无线传感网络的系统架构包括分布式传感器节点群、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如图1.1所示。图1.1 无线网络的系统架构无线传感网络有十分广阔的应用前景，在军事国防、环境监测、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值。1.3无线传感网络的发展现状无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是一种集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的新型的信息获取系统，是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的
10、网络系统，其目的是协作地监测、感知和采集网络覆盖区域内各种感知对象的信息，并对这些信息进行处理，最终发送给观察者。无线传感器网络是一种低功耗、自组织网络，一般由一个或多个基站（Sink节点）和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。每个节点成本低，功耗小，具有一定计算处理能力、通信能力。虽然单个节点采集数据并不精确，也不可靠，但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构，提高了数据采集的准确度和运行的可靠性，可部署于在敌占区、灾害区、核反应堆等人力不可达的特殊区域进行数据采集、传输等，具有其他网络无法比拟的特性，可广泛用于国防、环境监测、智能家居等领域。 无线传感器网络(WSN)是
11、信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。1.4无线传感网络主要特点 无线
12、传感网是由数据获取网络、数据分布网络、控制管理中心三部分组成的。主要组成部分集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点。无线传感网具有如下特点：1.集感知、处理、传输为一体无线传感网路节点是集传感器、处理器单元、短距离无线通信模块（如ZigBee传输单元）于一体的综合系统，通过综合的处理，完成数据采集，转换和传输，同时由于集成，它实现了节点的微型化，应用领域大大扩展。2.自适应通信能力为了准确、及时获取信息，必须依靠节点间的协作。传感器网络作为一个自治系统，涉及到定位及时间同步、协同信号处理等诸多问题。因此通过自适应性机制，才能更好的解决快速响应、可靠性与能耗之间的矛盾。3.电源能量有限网络节
13、点由电池供电。其特殊领域决定了使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议都要以节能为前提。4.多跳路由由于无线传感网络中节点的通信能力有限，一般在几百米范围内，所以节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由选择。由于WSN中的节点集信息接收、处理、发送等任务于一体，因此WSN中的多跳路由是有普通节点完成的。每个节点既是信息发起者，也是信息转发者。5.动态性无线传感网络是一个动态的网络，节点可以随处移动：一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障退出网络运行；一个节
14、点也能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。1.5无线传感网的协议层次无线传感网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，与互联网协议架构类似。如图1.2所示。图1.2 无线传感网络层次1.物理层协议物理层负责载波频率的产生，信号的调制解调，发送和接收工作。该层的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。无线传感器网络的载波媒体可以选择包括红外线、激光和无线电波。红外线的使用不需要申请频段，不会受到电磁信号干扰，并且红外线收发器价格便宜。激光通信保密性强，速度快。现在正在使用的节点设计多基于射频电路。目前
15、市场上可以获取的商业元器件有TinyOS项目设计的系列平台5。2.数据链路层数据链路层负责数据成帧、检测、差错控制以及无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。包括媒体访问协议（MAC）和差错控制两个方面。无线传输能耗主要来源于无线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗，在网络运行过程中，无线模块处于四中状态：发送、接受、空闲、睡眠。图36给出了无线传感器中几种能耗的对比。因此MAC层协议中节点的收发控制对于能耗有重要影响。其能量消耗如图1.3所示：图1.3 能量消耗对比图目前，MAC协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量，增加射频模块的休眠时间和冲突避免等。其中，减少数据流量是最根本
16、的解决方案，目前主要是靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现。此外，节点在没有数据接发时，关闭射频模块，转入休眠状态这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐率。目前的研究主要集中在工作休眠策略制定，突发数据流的自适应，节点同步机制等冲突避免主要采用 RTSCTSDATAACKI 握手机制，既解决了隐藏节引起的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加了控制开销。目前已有的MAC协议，大多综合使用了这些手段，只是具体实现方法不同。早期提出的MAC协议，大多采用多信道。多信道模式中，控信信道与数据信道分离，节点有多个射频模块或一个射频
17、模块在不同的信道采用不同的频率，可以有效地减少冲突，但是增加了节点复杂性、成本和功耗。出于整个网络成本的考虑，必须降低节点价格，则节点结构和功能必须简单。目前常用的节点，例如 xbow公司的Mica系列7，都只有一个射频模块，并且只用一个频率工作因此，近期提出的MAC协议多采用单一信道。SMAC和TMAC协议在发送数据时采用带冲突检测的载波侦听多路访问避免冲突。WiseMAC和BMAC协议在发送数据时采用载波侦听多路访问(CSMA)。WiseMAC通过增加载波侦听的范围来解决隐藏节点问题，代价是增加了功耗；在B-MAC中，RTSCTS握手可由高层通过MAC协议提供的控制接口实现。D-MAC在分
18、析自适应工作休眠调度的基础上，发现了数据转发中断问题，提出了一个新颖的解决方案。3.网络层网络层主要负责路由发现和维护。无线传感网中，多数节点无法直接与sink节点通信，需要通过中间节点进行多跳路由。因此路由协议是无线传感网重要的因素。无线传感网是以数据为中心的网络。由于数据总是在普通节点与Sink节点间传输，因此仅需要维护网络中传感器节点与Sink节点之间的路由，路由协议相对简单。而且路由协议要考虑节点能量有限，数量众多，分布密集，信息冗余度大等特点。目前WSN路由协议有很多，本文主要根据网络拓扑结构对路由协议分成平面路由和分级路由。（1）平面路由协议在平面路由协议中，所有节点的地位是平等的
19、，具有较好的健壮性，缺点是可扩充性差，维护较难。定向扩散路由8（Directed Diffusion, DD）是一种典型的以数据为中心的信息传播协议,它与应用紧密联系。其基本思想是传感器节点产生的数据用属性值来表示，当Sink点需要采集数据时,，发送Interests消息泛洪到全网。拥有数据标志属性和Interests相匹配的传感器节点将数据按Interests的反向路径发往Sink。这样, Sink点不需要的数据将不再发送，大大减少了冗余信息的传送,节约了网络的能量,延长了网络的时间。在DD路由协议中，数据融合方法的性能受到源节点位置、源端的数量、网络的拓扑结构等影响。经仿真分析，DD路由协
20、议具有较好的节能和可扩展特性，适合在传感器节点接收到数据请求后，在较长时间内需连续向Sink传送数据的场合。因为建立梯度需要花费较大代价，因此不适合一次只发送少量数据的情况。谣言路由协议（Rumor Routing）9思想是区域中的传感器节点产生代理消息，代理消息沿着随机路径向外单播扩散；Sink节点发送查询消息也沿着随机路径在网络中传播；当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时，形成一条由Sink节点到事件区域的完整路径。谣言路由只适合事件数比较少的情况。同时谣言路使用随机方式生成路径，所以数据传输不是最优路径，并且可能存在路由环路问题。此外，能量意识路由（EAR）10通过一定概率选择路径
21、并维护他们，概率值取决于每条路径能量大小，可以有效延长网络声明。SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）11路由协议通过判断消息冗余度来决定是否发送消息，能有效减少数据发送量。（2）分层路由协议在分层结构的网络中，具有某种关联的网络节点组成簇。在簇内，按照规则产生一个簇首（Sink）节点。一般节点功能简单，不需要复杂路由信息。LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）11是一种分簇结构路由协议。通过随机循环选择簇首，将整个网络能量复杂平均分配到每个传感器节点中，从而到达降低网
22、络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。LEACH协议规定一轮由建立阶段和稳定工作两个阶段组成。建立阶段开销比较大。同时要求传感器节点之间以及与Sink节点之间可直接通信，扩展性不强。GAF路由协议是基于位置信息的能量感知路由协议。基本思想是将网络区域划分成小区，每个小区内节点相互协作，一部分节点保持正常状态，一部分节点睡眠来节省能量。SPAN是一种基于位置的路由协议，根据各个节点的地理位置，选出协调点。协调点组成一个骨干网络。传感器节点收集的信息，沿着协调点组成骨干网络连接到Sink点。SOP（Self-Organization Protocol）12提供了一种新思想，将节点分为传感器节点和
23、路由节点。传感器节点可以移动，但是路由节点不能移动。传感器节点将搜集的数据通过路由节点到达Sink节点。（3）传输层目前传输层协议的主要目标是流量控制、拥塞控制和可靠传输。因为WSN中资源受限、高错误率、拓扑结构动态变化，所以传统传输层协议TCP不适合。目前解决拥塞控制的方法主要是拥塞检测，节点发现自身处于拥塞状态，需要将此信息报告给邻居节点或上游节点来进行控制操作。1.6无线传感网络应用目前国内外已经涌现了大批的无线传感网络应用系统，这些应用横跨多个不同研究领域。在军事应用中，无线传感网非常适合应用于恶劣的战场环境，包括侦查敌情、监控兵力等。在环境保护中，可以利用无线传感网搜集环境数据，比如
24、跟踪候鸟和昆虫的迁移，检测海洋大气和土壤的成分等，为一些措施提供数据支持。在医疗卫生中，实时检测病人信息，并在医疗中心进行数据处理分析。在家庭应用中，可以利用无线传感网远程控制管理家用电器。第2章 系统方案设计2.1 ZigBee技术发展概况ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织分别制订硬件与软件标准。ZigBee协议依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一
25、个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。2.2 ZigBee技术特点及应用ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键。其主要技术特点如下。1.协议简单:Zigbee采用基本的主一从结构配合静态的星型网络，因此更加适用于使用频率低、传输速率低的设备，其传输速率为20k字节/秒到250k字节/秒。2.功耗低:由于工作周期很短，收发信息功耗也较低，并且采用了多种节能方式，电池的使用时间最终决定于不同的网络应用。通常情况下，ZigBee两节五号电池可以支持长达6个月到2年的使用时间，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。3.成本低:低数据速
26、率、简单的协议和小的存储空间大大降低了Zigbee的成本。另外，Zigbee的工作频段灵活，使用频段为2.4GHz, 868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。4.网络容量大:一个ZigBee网络可以容纳最多65535个从设备和一个主设备。5.时延短:设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，另外还节省了能量消耗，能够满足大多数情况下应用的时延要求。6.安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时，各个应用可以灵活确定其安全属性。7.可靠:ZigBee采用了
27、CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突:在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包。8.网络的自组织、自愈能力强:ZigBee的自组织功能无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络;ZigBee自愈功能能够增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。2.3 无线传感网原理传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点
28、（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。如图2.1所示：图2.1 无线传感网原理2.4 Z-stack 协议 协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同
29、工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。如图2.2所示：图2.2 Z-stack 协议 Z-stack是挪威半导体公司Chipcon(目前已经被TI公司收购)推出其CC2530开发平台时，推出的一款业界领先的商业级协议栈软件，由于这个协议栈软件的出现，用户可以很容易地开发出具体的应用程序来，也就是大家说的掌握10个函数就能使ZigBee通讯的原因。它使用瑞典公司IAR开发的IAR Embedded Workbench for MCS-51作为它的集成开发环境。Chipcon公司为自己设计的Z-Stack协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序。对于用
30、户来说，除了能够看到这个调度程序外，其它任何协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。用户在进行具体的应用开发时只能够通过调用API接口来进行，而无权知道ZigBee协议栈实现的具体细节，也没必要去知道。 2.5系统构成设计2.5.1系统组成框图图2.3 系统组成框图2.5.2系统功能说明1.通过串口与Zigbee节点进行通讯在ZigBee监控系统中，数据的交换发生在以下两种场合：ZigBee协调器和ZigBee路由器或终端设备之间、运行在PC上的监控管理软件和ZigBee协调器之间。在两种场合下均定义了两种类型数据包，均采用请求/响应信息交换机制，但它们是相互独立的。除此之外，为了完成系统
31、的监控工作，还需要为网络的每一个监控操作设计数据流，数据流正是建立在这两种场合的数据交换基础上的。ZigBee协调器和ZigBee路由器或终端设备之间的数据交换是通过ZigBee无线网络实现的。本文为它们之间传输的数据定义了三种类型的数据包：ZigBee请求包和ZigBee响应包。ZigBee请求包用于协调器向路由器或终端设备请求数据或操作；ZigBee响应包用于路由器或终端设备对协调器进行响应。监控管理软件和ZigBee协调器之间的数据交换是通过串口来实现的。本文为它们之间传输的数据定义了两种类型的数据包：串口请求包和串口响应包。串口请求包用于监控管理软件向ZigBee协调器请求数据或操作；
32、串口响应包用于ZigBee协调器对监控管理软件进行响应。网络中的大多数监控操作都需要网络中所有节点协助完成，图4.15是一个典型监控操作的数据流，它表示监控操作在执行过程中节点之间、节点与监控管理软件之间数据的传输过程。具体的数据传输过程如下：首先监控管理软件向ZigBee协调器发送串口请求包，协调器接收后进行处理并生成串口响应包发送给监控管理软件；然后协调器向路由器和终端设备发送ZigBee请求包，路由器和终端设备接收后进行处理并生成ZigBee响应包发送给协调器；最后协调器在接收到ZigBee响应包后，将其封装为串口响应包并发送给监控管理软件。这样便完成了一次监控操作过程。典型监控操作的数
33、据流如图2.4所示：图2.4 典型监控操作的数据流 2.ZigBee协调器： 协调器节点，主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护功能，也可用来协助建立安全层和应用层的绑定。协调器节点主要由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口等组成，也可根据需要增加传感器及GSM/GPRS等模块。3.ZigBee路由器：传感器节点以自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，监测数据经多个节点处理经过多跳后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。温度传感器：对于温度传感器，主要原理就是
34、将温度转化成为模拟量,再通过ADC将模拟信号转换成数字信号。光敏传感器：主要是靠光敏探头(光敏电阻)采集光，当光敏探头采集到特定波长的光时，其阻值会迅速下降，然后通过比较器对一个特定的电压进行比较，输出TTL电平。检测到特定波长的光时，输出低电平，否则输出高电平。震动传感器：主要是通过物理实现，当传感器RZ801s发生震动时，它的两个引脚就会短接在一起从而导通拉低LM393比较器的3脚，使得比较器输出发生变化检测到震动时，输出低电平，否则输出高电平。第3章 开发平台的组建和实现3.1系统平台软件的构成3.1.1 IAR Embedded Workbench IDE嵌入式IAR Embedded
35、 Workbench IDE提供一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，这些工具包括：1.高度优化的IAR AVR C/C+编译器； 2.AVR IAR汇编器；3.通用IAR XLINK Linker; 4.IAR XAR库创建器和 IAR XLIB Librarian;5.一个强大的编辑器；6.一个工程管理器；7.IAR C-SPYTM调试器，一个具有世界先进水平的高级语言调试器。嵌入式IAR Embedded Workbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环
36、境，以及对大多数和特殊目标的支持。嵌入式IAR Embedded Workbench有效提高用户的工作效率，通过IAR工具，用户可以大大节省工作时间。我们称这个理念为：“不同架构，同一解决方案”。嵌入式IAREmbeddedWorkbench 是一个非常有效的集成开发环（IDE），它使用户充分有效地开发并管理嵌入式应用工程。作为一个开发平台，它具备任何在用户每天的工作地方所想要的特性。3.1.2 JLINK仿真器驱动J-Link是SEGGER公司为支持仿真ARM内核芯片推出的JTAG仿真器。配合IAR EWAR，ADS，KEIL，WINARM，RealView等集成开发环境支持所ARM7/AR
37、M9/ARM11,CortexM0/M1/M3/M4, Cortex A4/A8/A9等内核芯片的仿真，与IAR,Keil等编译环境无缝连接，操作方便、连接方便、简单易学，是学习开发ARM最好最实用的开发工具。 3.1.3串口调试助手串口调试助手是串口调试相关工具，有多个版本。如：友善串口调试助手，支持9600，19200等常用各种波特率及自定义波特率，可以自动识别串口，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符，可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。硬件连接方面，传统台式PC机支持标准RS232接口，但是带有串口
38、的笔记本很少见，所以需要USB/232转换接口，并且安装相应驱动程序。其串口调试工具界面如图3.1所示：图3.1 串口调试工具界面3.1.4 ZStack-CC2530-2.2.2-1.3.0Z-Stack装载在一个基于IAR开发环境的工程里。强大的IAR Embedded Workbench除了提供编译下载功能外，还可以结合编程器进行单步跟踪调试和监测片上寄存器、Flash数据等。Z-Stack根据IEEE 802.15.4和ZigBee标准分为以下几层：API（Application Programming Interface），HAL（Hardware Abstract Layer），M
39、AC（Media Access Control)，（Zigbee Network Layer），OSAL（Operating System Abstract System），Security，Service，ZDO（ZigbeeDeviceObjects）。Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。3.1.5 Keil Vision4软件开发平台的介绍图3.2 KEIL uVisio
40、n4 运行软件KEIL 是美国Keil Software公司出品的单片机编程软件，KEIL uVisionN是众多单片机应用开发软件中最优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，甚至ARM，它集编辑，编译，仿真等于一体，它的界面和常用的微软VC+的界面相似在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。其运行界面如图3.3所示：菜单栏输出窗口工程窗口工作区工具栏图3.3 KEIL uVision4 运行界面第4章 系统硬件单元组成4.1传感器4.1.1温度传感器对于温度传感器，主要原理就是将温度转化成为模拟量,再通过ADC将模拟信号转换成数字信号。对于CC2530芯片内部已经集成了A
41、DC，该ADC 支持多达14 位的模拟数字转换，具有多达12 位的ENOB（有效数字位）。它包括一个模拟多路转换器具有多达8 个各自可配置的通道；以及一个参考电压发生器。转换结果通过DMA 写入存储器。还具有若干运行模式。同时CC2530内部也集成了一温度传感器，可以通过配置寄存器，将温度传感器作为ADC的输入，这样CC2530就可以方便的使用温度传感器。常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。
42、温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200 2000。4.2 CC25304.2.1 CC2530芯片的组成图4.1 CC2530芯片的组成CC2530 是集成了8051内核的mcu和2.4G的无线射频模块，该芯片具有21个IO引脚，P0、P1、P2；一般来说P2口的P2.2和P2.1加上芯片上的VDD、GND、RESET_N五个引脚作为下载调试接口用，P0口集成有AD输入功能。该芯片有两个外接晶振，一个32.726Khz;一个32Mhz，32Mhz的晶振主要是2.4G无线收发模块使用，布线是尽量靠近其引脚，周围敷铜会
43、减少晶振高频信号对其他信号的音响，特别是RESET_N管脚的走线要稍微原理晶振走线。RF_P、RF_N是无线发送接收引脚，其出来的电路是巴比伦电路，PCB布线是两线尽量粗（减少阻抗衰减）、对称，两边最好有完整的地线覆盖，布线处理不好会影响CC2530的收发距离。4.2.2 8051单片机的组成结构80C51单片机的基本组成如图4.2所示。图4.2 8051单片机的组成结构1、数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可
44、存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。2、中央处理器(CPU)中央处理器是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。3、程序存储器(ROM) 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。4、全双工串行口8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。5、中断系统8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具
45、有2级的优先级别选择。6、时钟电路 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。7、并行输入输出(I/O)口 8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。8、定时/计数器(ROM) 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。4.2.3 CC2530芯片的引脚及功能介绍 引脚名称 引脚 引脚类型 描述AVDD1 28 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD2 27 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD3 24 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD4 29 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD5 21 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD6 31 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接DCOUPL 40 电源（数字） 1.8V 数字电源去耦。不使用外部电路供应。DVDD1 39 电源（数字）