ZigBee与串口数据转换电路的设计

摘要ZigBee与串口数据转换电路的设计【摘要】ZigBee是基于IEEE802．15．4的一种新兴的无线网络技术，在很多领域中都有广泛的应用。

本文介绍了ZigBee协议栈的架构、层协议的参考模型，分析了ZigBee无线网络的特点，选择以射频芯片CC2430 为核心设计电路，论述了基于CC2430芯片的串口无线模块的硬件设计和软件设计，并介绍了CC2430的基本特性。

本文还将成品进行了联机调试。

调试结果表明：本电路设计的理论是合理可行的，并且成功达到了预期的效果。

【关键词】ZigBee，串行通信，无线网络，CC2430Design of conversion circuit between ZigBeeand USART【Abstract】ZigBee is a rising wireless network technology based on IEEE 802.15.4. The paper introduces briefly the constitution of ZigBee protocol stack, the layer protocol reference model, and analyses the ZigBee network spocialty，and then select the CC2430 as key chip set and carried out the design of the circuit，Abstract：The hardware and software designings of a wireless RF unit based on CC2430 are introduced．The basis characteristics of CC2430 is given.Meanwhile, the finished product on-line debugging。

Debugging results show: the circuit design theory is reasonably practicable, and successful in achieving the expected results.【Key Words】ZigBee，serial communication，Wireless network，CC2430目录第1章绪论 (1)1.1 ZigBee概述 (1)1.1.1 ZigBee技术与特点 (1)1.1.2课题研究的意义 (2)1.2研究的内容安排 (2)1.3研究方法 (3)第2章ZigBee协议栈结构和原理 (4)2.1 ZigBee协议栈概述 (4)2.2 IEEE802.15.4通信层 (5)2.1.1 4.2.1 PHY（物理层） (5)2.1.2 MAC（介质接入控制子层）层 (5)2.3 ZigBee网络层 (6)2.4 ZigBee应用层 (6)第3章CC2430无线模块 (8)3.1 CC2430 (8)3.1.1 CC2430芯片的主要特点 (8)3.1.2 CC2430片上的8051内核 (9)3.2 CC2430无线收发部分 (9)3.2.1 IEEE802.15.4调制模式 (10)3.2.2接收模式 (10)3.2.3 发送模式 (11)第4章ZigBee串口数据转换电路设计 (12)4.1硬件设计 (12)4.1.1 CC2430外围电路 (12)4.1.2串口连接 (13)4.2软件设计 (13)4.2.1数据的发送和接收 (13)4.2.2网络协调器与RFD节点的程序 (18)第5章调试与结果分析 (24)5.1系统调试 (24)5.1.1硬件调试 (24)5.1.2软件调试 (25)5.2结果分析 (25)结论 (27)参考文献 (28)致谢....................................................................................................... 错误！未定义书签。

图目录图1.1 ZigBee串口数据转换电路系统框图 (3)图2.1 ZigBee体系结构模型....................................................... 错误！未定义书签。

图2.2 MAC 层的通用帧格式. (6)图3.1扩展调制功能 (10)图4.1 CC2430外围电路.............................................................. 错误！未定义书签。

图4.2数据发送的流程图............................................................ 错误！未定义书签。

图4.3数据接收的流程图 (15)图4.4网络协调器程序流程图 (18)图4.5 RFD节点程序流程图 (19)图5.1 CC2430无线传输模块 (24)图5.2调试接口 (25)图5.3数据传输1 (26)图5.4数据传输2 (26)表目录表目录表2.1 ZigBee无线信道的组成.................................................. 错误！未定义书签。

第1章绪论1.1 ZigBee概述ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术(RFID)和蓝牙之间的技术。

主要用于近距离无线连接。

它依据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个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高[1]。

ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

1.1.1 ZigBee技术与特点ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准, 它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE 802.15.4( 无线个人区域网) 协议标准, 但在此基础上进行了完善和扩展, 其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由ZigBee 联盟进行了制定[2]。

ZigBee的基础是IEEE802.15.4，但ZigBee不仅只是802.15.4的名字。

IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议。

完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4KB或者作为Hub、路由器的协调器的32KB。

每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。

ZigBee 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传播不会被其他节点获得[4]。

ZigBee与其他技术如FSK，蓝牙，WLAN相比，远有技术上的优势，ZigBee 和WLAN共同工作在2.4G的频段，利用ZIGBEE的#15、#20、#25和#26信道，可有效避免与802 .11b的#1、#6、#11信道的相互干扰，因此，ZigBee 在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰性能；在相同的环境中，ZigBee抗干扰性能远远好于蓝牙和WLAN，是蓝牙、WLAN和FSK的1000倍。

在设备成本，传输距离，设备功耗等方面也具有很大的优势，因此，ZigBee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与串口间的连接实现无线通信，而形成的串口设备解决了低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用问题，ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能,其中的网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

星型网络结构特点，支持点对点、点对多点通信；适合圆形分散、距离较近的设备联网；MESH网状网络结构特点；系统采用多跳式路由通信；网络容量很大；可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构[6]。

1.1.2课题研究的意义ZigBee与串口电路转换的设计（即基于ZigBee协议的无线串口通信设备）集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，设备具有RS232/485通信接口，并有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现一点对多点及多点对多点之间的串口设备间数据的透明传输；可组MESH型的网状网络结构。

由此，本课题的设计应用范围非常广泛，主要有：带负载管理功能的自动抄表(AMR)系统；智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；监控照明、HVAC和写字楼安全;农田耕作、环境监测及其它区域进行工业监控通信；工业制造、过程控制遥测遥控；对病患、设备及设施进行医疗和健康监控等等，意义深远[7]。

1.2研究的内容安排ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定。

在2.4GHz 的ISM频段上，数据传输速率可达250kbps。

其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的应用。

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。

尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

可见串口通信的低速率十分符合ZigBee传输的特点，但在实际的应用设备或芯片中，一般不直接支持ZigBee接口，不能直接使用它。

考虑到它们一般都有UART串口通信接口（如：大多数CPU），将它们结合起来实现数据转换，方便ZigBee在各种场合的应用。

本课题设计ZigBee与串口数据转换电路，使得具有串口的设备实现无线通信，设计内容分为软件和硬件两部分，硬件最后通过制作硬件电路板并进行相应的软件设计调试完成整个通信过程。

1.3研究方法该无线模块采用+3V的电源输入，主要由电源、复位电路、串口连接电路和无线收发电路组成。

可实现串口数据的无线收发。

即：发送数据时，RS232串口数据经过串口连接电路将电平转换为TTL电平。

再通过CC2430无线发送。

接收数据则是发送数据的逆过程，CC2430先接收到数据信号。

然后经串口连接电路将TTL电平转换为RS232的标准电平，再通过RS232向上位机输入数据。

依据项目的设计要求及设计的方法和思路，ZigBee串口数据转换电路系统总体模块框图如图1.1所示。

图1.1 ZigBee串口数据转换电路系统框图第2章ZigBee协议栈结构和原理第2章ZigBee协议栈结构和原理2.1 ZigBee协议栈概述ZigBee协议栈由一组子层构成，每层微其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。