林木生长监测系统中FFD模块设计.docx
《林木生长监测系统中FFD模块设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《林木生长监测系统中FFD模块设计.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
林木生长监测系统中FFD模块设计
摘要
随着人们对低速率无线个人域网的应用需求越来越大，ZigBee技术在近年来得到了快速的发展。
由于ZigBee技术具有低功耗、成本低、低速率、近距离和网络容量大等特点，使得其得到了广泛的应用，具有十分广阔的研究前景。
我们利用Zigbee的无线传送数据的功能，将其作为数据远程传送模块。
Zigbee对温度传感器测得的温度数据或者光照传感器测得数据按时发回到主机接收端。
在主机端我们对数据进行分析处理。
主机端可以带有显示，报警等功能。
本文主要涉及具有完整功能的全功能设备的功能设计。
方案中使用STC12A32S2微控制芯片和CC2530无线模块搭建了一个基于ZigBee技术的FFD全功能模块，该模块通过DS3231进行精确的定时，并且采用无线数传模块与上位机通信。
FFD在网络中充当中心节点和协调器的作用，负责向终端节点查询温度的信息，然后反馈给计算机，达到无线测温的目的。
关键词:
无线数据传送，全功能模块（FFD），ZigBee，CC2530，光照，温度
ABSTRACT
RecentlyZigBeeisdevelopingatahighspeedbecausetheapplicationdemandonlow-ratewirelesspersonalareanetworkisincreasing.ZigBeetechnologyhasbeenwidelyappliedinlifeasithasthefollowingkeyfeatures：
lowpower，lowcost，lowdatarate，shortdistanceandlargenetworkcapacity.Ithasverybroadprospectsforresearch.
WeuseZigbeewirelesstransmittingdatafunction,dataremotetransmissionmodule.Zigbeedataoftemperaturesensorsmeasuredtemperatureorlightsensormeasureddataissentbacktothehostatthereceivingendontime.Weanalyzethedataprocessinginthehost.Thehostcanwithdisplay,alarm,etc.
Throughtheanalysisofwirelesssensoranditsnetworkprotocol,amethodisproposedfortemperaturemeasurementbasedonZigBeeprotocolwirelessnetworkFFDmoduledesign.TheprogramistheuseofSTC12A32S2microchipandCC2530radio-chiptobuiltafullfunctiondevicebasedonZigBeetechnology.
Keywords：
Thewirelessdatatransmission,FFD,ZigBee,CC2530,Temperature,light
前言
随着物联网无线通信技术的发展，无线通信、无线控制、无线组网和移动连接等走进我们生活，其原理主要运用Zigbee技术实现。
单片机具有很强大的功能拓展，我们可以运用其特性进行物联网无线通信设计，我们的生活，信息可以进行通信交流，进而可以实现智能控制。
这些新技术必将具有强大生命力和广阔的市场前景。
很多领域由于物联网都实现智能化的革命。
森林树木生长状况的检测对于消除森林安全隐患有很重要的意义。
通过本装置对林木外部生长质量检测。
在一些森林保护工作中运用这种技术手段有很大进步。
我们通过监测信息对很多状况可以预测防预。
运用无线Zigbee技术，我们就可以解决问题，同时，林木生长过程全程监测与生长要素控制可以市林木更加安全健康。
运用信息技术，可以解决林木生长中的一些问题。
为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备，IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气及电子工程师学会）定义了两种不同类型的设备：
一种是完整功能设备（full．functionaldevice，FFD），另一种是简化功能设备（reduced．functionaldevice，RFD）。
[1]
本设计在ZigBee协议的基础上，提出了FFD的设计方案，完成了硬件电路的设计和程序的编写，最后完成对整个网络进行测试和数据分析。
以下是本文的主要工作以及论文的组织结构。
第一章:
绪论。
主要阐述该课题研究的背景和国内外的现状及意义，并说明了本文具体设计的内容。
第二章:
介绍ZigBee协议及其网络拓扑结构。
接着给出了Zighee协议的相关概念，并介绍了Zighee网络的拓扑结构和节点工作模式。
第三章:
硬件设计。
主要描述了利用STC单片机解决ZigBee的方案，包括ZigBee模块、MCU的外围电路以及LCD显示电路的设计。
第四章:
软件设计。
包含程序，其中包括流程图的绘制以及各子程序的分析。
第五章：
系统性能测试。
本章主要对硬件电路在实际应用中的性能测试进行分析，进一步说明本设计的不足和优点。
第六章：
结论与展望。
第1章本论
当问我ZigBee是什么的时候？
我会回答：
单片机+无线模块。
例如一块ZigBee的MCU只要一片CC2530就行。
其功能强大、组网方式千变万化。
无线传输的属性中我们可以看到Zigbee的应用范围是低速率远距离的。
这造就了Zigbee低功耗信息传输的优势，网上经常谈到两节普通的5号干电池可以使用6个月到2年的时间，免去充电和更换电池的麻烦。
在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都可以发挥很大作用，可以做到智能化检测。
[2]
Zigbee的应用领域很广。
随着技术日益成熟以及价格的下降，Zigbee在大多领域取代原始的无线模块是毋庸置疑的。
举个最简单的例子，终端节点和协调器的最大通讯距离为200米，我们在200米的地方加入1个点作为路由器，那么终端就可以通过路由器转发，也就是说通讯距离可达400米。
而且新节点加入现有网络极为方便。
我们姑且可以先把ZigBee当成普通的无线模块应用。
开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围。
ZigBee协议是为家庭控制、安全系统、建筑自动化等方面设计的传感器网络协议。
本文将会分析ZigBee协议的结构并基于ZigBee协议实现一种温度传感器网络。
平台是IAR+Z-stack2007PRO，芯片是TI公司的CC2530。
1.1课题背景
随着社会的发展，人们对通信技术的要求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。
各种短距离无线传输技术层出不穷：
蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi．Fi、WiMAX，无线USB，UWB等。
其中蓝牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。
对于工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域。
ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准与其他几种无线通讯标准相比。
[3]具有如下特点：
1.成本低
2.低功耗
3.时延短：
ZigBee的响应速度较快
4.网络容量大
5.可靠度高
6.安全
7.传输距离远：
两节点间的物理传输范围一般介于10-100米之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3千米。
[4]
1.2国内外研究现状
传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的高技术之一。
国外的一些著名大学，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作。
加州大学洛杉矶分校在生态监控方面研究了小气候传感器和视频传感器网络技术，在地震监控和响应结构方面研究了数据通信控制器和网络时间同步、传感器可靠部署、宽带地震网络、结构检测的无线地震监控网络。
[5]
在国内传感器网络系统方面的研究发展比较迅速。
在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。
1.3课题研究的目的和意义
温度感应和监测技术在社会生产生活各个方面都有广泛应用，如医疗护理、环保、科研等。
目前，此项设计的意义在于对无线测温的实用性机很强。
对无线传感器网络节点的体系结构及各个模块的能量消耗情况进行了初步的分析，提出了无线传感器网络节点构架设计的系统方式，确定FFD主动的协调方式的架构设计。
ZigBee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。
适合采用ZigBee网络来实现。
ZigBee是一个可由多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m到几百米甚至几公里，另外整个ZigBee网络还可以实现与现有的其它的各种网络例如工业以太网等的连接。
[6]
ZigBee网络主要应用在工业控制（例如矿井监控系统），汽车控制（例如轮胎压力监测系统）、农业控制（例如精确耕种监控网络）、医学领域（例如血压、体温和心跳监视网络）、家庭智能控制（例如照明、水电气计量及报警）、消费类电子设备的遥控装置以及PC外设的无线连接等领域。
[7]
1.4论文研究的主要内容
本文主要研究基于ZigBee的无线测温网络中的FFD模块设计，本课题选用的是实现基于STC8052处理器和CC2530射频芯片的实用的、低成本的且可以灵活扩展的ZigBee系统，并在此基础上移植ZigBee协议栈，组建ZigBee网络，实现与节点间的信息交互。
本次设计的内容是无线测温网络中的FFD模块，要求基于ZigBee技术组网，担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或RFD连结，具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
主要对组网的方式，控制效率分析设计。
完成模块的硬软件设计，硬件体系结构图和软件代码。
[8]
第2章ZigBee协议及其网络结构
2.1ZigBee网络结构概述
利用ZigBee技术组建的是一种低数据传输速率的无线个域网（LowRateWirelessPersonalNetwork，LR-WPAN），网络的基本成员成为“设备（Device）”。
网络中的设备按照功能的不同分为两类：
具有完整功能的全功能设备（FullFunctionDevice，FFD）和只具有部分功能的精简功能设备（ReduceFunctionDevice,RFD）.其中RFD功能非常简单，可以用最低端的MCU实现，在网络了只能作为不需发送大量数据的终端设备，只能和某个特定的FFD进行通信。
而FFD可以作为个域网的主协调器、协调器，也可以作为终端设备实用。
在一个网络里至少需要一个主协调器。
在有些覆盖范围较大的场合，可以组建树簇型ZigBee网络，通过路由器实现多跳的数据传输，作为路由器的必须是FFD。
[9]
2.1.1Zigbee协议体系结构
看了Zigbee的体系结构，联想到TCP/IP的体系结构，觉得似乎每个协议都是由OSI七层协议演化而来的，由图可以看出IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层，而Zigbee联盟定义了网络层、应用层技术规范，每一层为其上层提供特定的服务：
即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
各层介绍:
物理层（PHY）
物理层定义了物理无线信道和MAC 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管
理服务。
物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。
物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层功能
1）ZigBee 的激活；
2）当前信道的能量检测；
3）接收链路服务质量信息；
4）ZigBee 信道接入方式；
5）信道频率选择；
6）数据传输和接收。
MAC 层
MAC 层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN 连接和分离，提供两个对等MAC 实体之间可靠的链路。
_MAC 层数据服务：
保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中正确收发。
MAC 层管理服务：
维护一个存储MAC 子层协议状态相关信息的数据库。
MAC 层功能
1）网络协调器产生信标；
2）与信标同步；
3）支持PAN（个域网）链路的建立和断开；
4）为设备的安全性提供支持；
5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；
6）处理和维护保护时隙（GTS）机制；
7）在两个对等的MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。
网络层（NWK）
ZigBee 协议栈的核心部分在网络层。
网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree 等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。
网络层功能：
1）网络发现；
2）网络形成；
3）允许设备连接；
4）路由器初始化；
5）设备同网络连接；
6）直接将设备同网络连接；
7）断开网络连接；
8）重新复位设备；
9）接收机同步；
10）信息库维护。
应用层（APL）
ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。
应用支持层的功能包括：
维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求将它们匹配地连接起来。
ZigBee设备对象的功能包括：
定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。
ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
应用程序框架（AF）：
运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规范（profile）运行在端点1~240上。
在ZigBee应用中，提供2种标准服务类型：
键值对（KVP）或报文（MSG）
ZigBee设备对象（ZDO）：
远程设备通过ZDO请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象获取相应描述符值。
另外，ZDO提供绑定服务。
2、ZigBee节点类型三种
ZigBee协调者---coord为协调者节点
a）每个ZigBee网络必须有一个
b）初始化网络信息.
ZigBee路由器---router为路由节点
a）路由信息
ZigBee终端节点---rfd为终端节点
a）没有路由功能–低价格
总结:
：
ZigBee协议栈已经实现了ZigBee协议，用户可以使用协议栈提供的API进行应用程序的开发，在开发过程中完全不必关心ZigBee协议的具体实现细节，要关心的问题是：
应用层的数据是使用哪些函数通过什么方式把数据发送出去或者把数据接收过来的。
所以最重要的是我们要学会使用ZigBee协议栈。
[11]
2.1.2ZigBee网络拓扑结构
ZigBee可以完成很好的组网功能，可以形成星型、树型和网状网，我们选用基本的点对点通信形式，主要操作zigbee协议实现；
从设备在组网中的功能区别，ZigBee网络中的功能设备分为三种。
第一种终端设备，结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠之中，很大程度降低功耗，节约电能，它们称为终端设备（EndDevice）。
每个终端设备中最多可以有240个端点，这些端点共享同一个无线收发器，但执行不同的应用任务。
处于中间层次的是路由器，它们必须具备数据的存储和转发能力、路由发现能力。
路由器必须是FFD。
在网络结构的最顶层的是ZigBee协调器。
协调器的总处于工作状态，因此它必须有稳定、可靠的电源供给。
协调器也必须是FFD。
图2-2星状网、树状网和网状网三种拓扑结构
2.1.3工作模式
信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，这样可以降低功耗，在一些特殊场合比较有优势。
而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备必须长期处于工作状态。
Zigbee的特点就是远距离低功耗的无线传输设备，节点模块闲时可以进入睡眠模式，在需要传输数据时候进行唤醒，能进一步节省电量。
2.2ZigBee协议
ZigBee的协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了PHY（物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。
ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一直，以函数的形式实现，并给用户提供API（应用层），用户可以直接调用。
[12]
在开发一个应用时，协议较底下的层与应用是相互独立的，它们可以从第三方来获得，因此我们需要做的就只是在应用层进行相应的改动。
TI推出的ZigBee2007协议栈也称Z-Stack，用户通过API函数就可以轻易用ZigBee。
2.2.3ZigBee协议标准
ZigBee协议栈建立在IEEE802．154的PHY层和MAC子层规范之上。
它实现了网络层（networklayer，NWK）和应用层（applicationlayer，APL）。
在应用层内提供了应用支持子层（applicationsupportsub—layer，APS）和ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）。
应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。
ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。
每一层为其上层提供特定的服务：
即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
2.3逻辑设备类型
在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：
Coordinator（协调器），Router（路由器）和End-Device（终端设备）。
ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成。
2.4一个简单的无线数据通信时的一般步骤
1、组网
2、发送
3、接收
2.5节点类型
ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZC（ZigBeeCoordinator）、路由ZR（ZigBeeRoute）和终端设备ZE（ZigBeeEndDeviee），其中协调器和路由器均为全功能设备（FFD），而终端设备选用精简功能设备（RFD）。
协调器：
一个ZigBee网络PAN（PersonalAreaNetwork）有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力；
路由器：
主要实现扩展网络及路由消息的功能。
扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。
路由节点只有在树状网络和网状网络中存在；
终端设备：
不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动进行通信，工作方式为节点之间的信息通信。
[13]
第3章系统硬件电路的实现
3.1方案实现总框图
本研究的核心电路是无线测温网络中的全功能（FFD）模块的设计，首先需要设计出来符合ZigBee标准的FFD电路。
该电路主要由三个部分组成：
射频模块、MCU部分及外围电路和PC机接口电路，如图3-2所示。
图3-1FFD硬件设计总框图
射频部分采用德州仪器公司生产的CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。
外围电路部分包括：
程序调试端口、指示电路、报警电路、显示电路等。
其中程序调试端口是利用ISP接口来调试和下载程序；指示电路使用发光LED灯的状态来表示；报警电路可以选用SPK蜂鸣器报警电路；显示电路选用I2C式液晶显示电路。
与PC机接口电路采用RS232通信方式，通过RS-232串口提供调试过程中的信息并与PC机互交ZigBee组网过程中的信息；同时，在设计ZigBee的FFD模块时预留了一些端口供灵活使用。
3.2其硬件资源清单
项目
名称
型号
说明
1
CPUCC2530内存
256M，最大发射功率
4.5dBM
2
系统时钟
32M
高精度无源晶振
3
实时时钟
32.768kHz
无源晶振
4
电池
3.7V
3.7V手机锂电池
5
LED
3
色.红、黄、绿3色LED灯
6
键盘
2路按键
7
下载接口
8
串口接口
5
UART接口
9
ADC
接口
2芯
10
天线接口
SMA
11
天线
2.4G
杆状天线和PCB天线
12
功放
CC2591
最高放大倍数22dBm
13
电源接口
5V
5V转3.3V，200mA
3.3ZigBee系统的总体结构
本网络有若干个ZigBee终端节点和一个ZigBee中心节点（协调器）搭建一个星型的无线传感器网络，有终端节点上的温度传感器采集环境温度信息并由终端节点通过无线芯片发送到中心节点，中心节点将接受到的信息及时反馈到计算机上。
整体网络结构如下图3-1所示：
图3-2ZigBee系统总体结构图
本课题选用的是实现基于STC12A32S2处理器和CC2530射频芯片的实用的、低成本的且可以灵活扩展的ZigBee系统，并在此基础上移植ZigBee协议栈，组建ZigBee网络，实现节点间的信息交互。
方案:
采用增强型8051单片机STC12A32S2控制器，该产品特点是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX10专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换（300K/S），针对电机控制，强干扰场合。
采用增强型8051单片机STC12A32S2作为控制处理器是本设计的最佳方案，一是该芯片能够完成本设计所有的设计要求，避免浪费；二是其特点是低电压、低功耗符合现代电子产品设计理念；三是经济方面也最为合适，价格低廉，开发成本低，性价比高，稳定好。
3.3.1CC2530芯片
CC2530采用40脚QFN封装，其引脚图如下：
图3.11
3.3.2应用
·远程控制系统（需要大于64-KB闪存）
·工业控制和监控
·低功耗无线传感网络
·医疗保健，无线设备
CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。
RF内核控制模拟无线模块。
另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自
升级会员 