基于CC2530的Zigbee网络节点设计
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基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现二、硬件设计1. CC2530芯片CC2530是德州仪器(TI)公司推出的一款具有Zigbee通信功能的片上系统(SoC)芯片,集成了802.15.4无线通信功能以及8051微控制器。
CC2530具有低功耗、快速响应、可靠性高等特点,适合用于构建Zigbee传感网络。
2. 传感器节点传感器节点是Zigbee网络中的重要组成部分,它可以通过各种传感器采集环境信息,并通过无线网络发送到协调器节点。
传感器节点通常包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器等,以满足不同的监测需求。
3. 协调器节点协调器节点是Zigbee网络中的核心节点,负责网络管理、数据协调、安全认证等功能。
在本设计中,我们选择CC2530作为协调器节点的芯片,通过其内置的Zigbee功能实现网络连接和数据传输。
4. 网络拓扑在设计Zigbee无线传感网络时,需要考虑网络拓扑结构,一般可以选择星型、网状或者混合型拓扑结构。
根据实际应用需求,可以灵活选择合适的网络拓扑结构。
三、软件开发1. Zigbee协议栈在基于CC2530的Zigbee无线传感网络中,需要使用Zigbee协议栈来实现Zigbee协议的各层功能,包括PHY层、MAC层、网络层和应用层等。
TI 公司提供了针对CC2530芯片的Z-Stack协议栈,可以帮助开发者快速实现Zigbee通信功能。
2. 网络配置在软件开发过程中,需要对Zigbee网络进行配置,包括节点连接、网络路由、数据传输等方面。
通过Z-Stack协议栈提供的API接口,可以方便地进行网络配置和管理。
3. 数据处理在传感节点和协调器节点之间,需要进行数据的采集、传输和处理。
通过Z-Stack提供的数据传输接口和协议栈功能,可以实现传感数据的采集和传输,以及协调器节点的数据处理和分发。
3. 安全认证在Zigbee网络中,安全认证是至关重要的一环。
通过Z-Stack协议栈提供的安全认证接口,可以实现节点之间的安全通信,保障网络数据的安全性。
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现1. 引言1.1 基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现概述Zigbee无线传感网络是一种低成本、低功耗、短距离的无线通信技术,适用于物联网领域。
本文基于CC2530芯片,对Zigbee无线传感网络的设计与实现进行了探讨和研究。
在传感网络中,节点之间通过无线通信实现信息传输和数据交换,构建起一个相互协作的网络体系。
CC2530芯片作为一种低功耗、高集成度的无线通信芯片,具有良好的性能和稳定性,非常适合用于Zigbee无线传感网络的设计。
本文将通过介绍Zigbee无线传感网络的原理与技术、CC2530芯片的特点,以及网络拓扑结构设计、节点通信协议设计和能量管理设计等方面的内容,来探讨基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现方法。
通过对设计与实现结果进行分析,可以了解到该系统的性能和可靠性。
同时,也会探讨存在的问题,并展望未来的发展方向。
这将有助于进一步完善基于CC2530的Zigbee无线传感网络系统,提高其在物联网应用中的实际效果和应用前景。
2. 正文2.1 Zigbee无线传感网络原理与技术Zigbee无线传感网络是一种基于IEEE 802.15.4标准的低成本、低功耗、短距离无线通信技术。
它主要用于构建小型自组织的自动化控制系统,适用于各种物联网应用场景。
Zigbee网络采用星型、树状和网状等不同的拓扑结构,其中最常见的是网状结构,可以实现节点之间的多跳通信,提高网络覆盖范围和可靠性。
节点之间可以通过广播、单播和多播等方式进行通信,实现数据的传输和控制。
在Zigbee协议栈中,包括物理层、MAC层、网络层和应用层。
其中物理层负责传输数据,MAC层处理数据的接入控制,网络层负责路由和组网,应用层实现具体的应用功能。
通过这些协议层的配合,可以实现数据的可靠传输和快速响应。
Zigbee网络还支持多种不同的信道选择和能量管理机制,可以根据具体的应用场景来选择最适合的工作模式,以实现最佳的性能和功耗平衡。
基于ZigBee技术的温湿度远程监测系统设计学生:陈园(指导老师:吴琰)(淮南师范学院电子工程学院)摘要: 针对目前温室大棚农作物大面积种植,迫切需要科学的方法进行智能远程监测的研究现状,设计出一套温湿度远程监测系统。
该系统是有多个采集终端和一个协调控制器组成。
多个终端分别放置不同的大棚内进行实时采集数据,协调控制器的作用就是将多个采集终端通过无线传输过来的的数据进行分析并和PC机连接。
PC机上运行上位机软件实时的监测各大棚的温湿度信息。
多个终端和协调控制器均采用TI公司新一代CC2530芯片;温湿度传感器采用市场上比较流行的DHT11;无线传输采用ZigBee协议;上位机软件采用labVIEW编写,并通过RS-232与协调控制器连接通信。
通过实物测试了ZigBee无线传输的稳定可靠性,丢包率在误差范围内。
温湿度采集有0.5s延时时间,满足实时性要求。
关键词:终端;协调控制器;DHT11;CC2530;ZigBee;上位机Design of Remote Monitoring System for Temperature andHumidity based on ZigBee TechnologyStudent: Chen Yuan(Faculty Adviser:Wu Yan)(college of electronic engineering, Huainan Normal University)Abstract:According to the current situation of the research on the intelligent remote monitoring of greenhouse crops, the research status of intelligent remotemonitoring is urgently needed, and a set of remote monitoring system fortemperature and humidity is designed. The system is composed of a plurality ofacquisition terminals and a coordinated controller. Multiple terminals are placed indifferent greenhouses for real-time collection of data, the role of the coordinationcontroller is to collect more than one collection terminal through wireless datatransmission over the data analysis and PC machine connection. Temperature andhumidity information operation software of PC real-time monitoring of thegreenhouse on PC. A plurality of terminals and a coordinated controller are used ina new generation of CC2530 chip of TI company; temperature and humidity sensorused on the market more popular DHT11; wireless transmission based on ZigBeeprotocol; PC software using LabVIEW, and connected with the communicationthrough the RS-232 and coordination controller. The reliability of ZigBee wirelesstransmission stability test through the physical, the packet loss rate is in the rangeof error. Temperature and humidity acquisition 0.5s time delay, meet the real-timerequirements.Keywords:Terminal; coordination controller; DHT11;CC2530; ZigBee; host computer1. 绪论1.1 设计背景和研究意义现如今我国已经成为世界第一粮食生产大国,据有关统计说明,我国农作物设施栽培面积已经超过210万hm2。
基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点近年来,随着物联网技术的快速发展,无线传感器网络(WSN)应用正在不断增加。
无线传感器节点作为WSN的重要组成部分,可以实时监测环境中的各种参数,并将数据传输到数据中心进行处理和分析。
本文将介绍基于CC2530芯片和ZigBee协议栈设计的无线网络传感器节点。
一、CC2530芯片介绍CC2530芯片是德州仪器(Texas Instruments)公司推出的一款低功耗、高性能的无线SoC芯片。
它集成了8051微控制器核心和IEEE 802.15.4无线收发器,提供丰富的外设接口,并支持多种通信协议,如ZigBee、RF4CE、ZigBee RF4CE、SP100和6LoWPAN。
其低功耗特性使其成为设计低功耗无线传感器节点的理想选择。
二、ZigBee协议栈简介ZigBee是一种低功耗、短距离无线通信技术,主要用于自动化控制、智能家居和工业应用。
ZigBee协议栈分为应用层、网络层、MAC层和物理层。
应用层负责定义各种应用场景下的数据交换格式和协议,网络层负责网络拓扑管理和路由选择,MAC层负责对数据进行处理和封装,物理层负责无线信号的发送和接收。
三、无线网络传感器节点设计基于CC2530芯片和ZigBee协议栈,设计了一种低功耗的无线网络传感器节点。
该节点由CC2530芯片、传感器模块、电源管理模块和外设接口组成。
1. CC2530芯片:作为无线SoC芯片,CC2530芯片集成了8051微控制器核心和无线收发器。
8051微控制器核心负责控制节点的各种操作,如数据采集、数据处理和通信控制。
无线收发器负责与其他节点进行通信,通过ZigBee协议栈实现数据的传输和接收。
2. 传感器模块:传感器模块负责实时监测环境中的各种参数,如温度、湿度、光照等。
通过与CC2530芯片的接口进行数据传输,将采集到的数据传送给CC2530芯片进行处理和分析。
基于CC2530的无线组网技术的研究与实现摘要:无线传感器网络是集传感器、无线通信和网络三大技术于一体的信息获取与处理技术,主要用于实现不同环境下各种缓慢参数的检测。
最新的发展方向在于减小体积,简化布局以及在低能条件下尽可能延长生命周期。
而Zigbee技术拥有网络容量大,架构简单,低功耗,低速率等特点,十分适合用来组建无线传感器网络。
本文以CC2530芯片为核心模块,基于Z-STACK协议栈设计了一个可以完成自动组网的系统,通过编写协调器程序实现无线传感器网络的组建,同时路由器能自动完成其父节点功能。
同时,对开发软件核心Zigbee协议栈的组成和实现方法进行了介绍。
给出了协调器节点的硬件设计原理图和软件流程图以及相应的PCB图。
关键词:无线传感器网络;CC2530;Zigbee;无线组网Research & Implementation of Wireless Network T echnologyBased On CC2530Abstract: Wireless Sensor Networks (WSN) setting sensors with wireless communications and network is a kind of information acquisition and processing technology , mainly used to implement the detection of slow parameters under different circumstances. The newest development direction is to reduce the volume, to simplify the layout and to extend the life cycle in the low-energy conditions much as possible. However, Zigbee technology, with large network capacity, simple structure, low rate and power consumption , is especially suitable for the formation of the WSN.The paper presents a design of a system which can complete automatic network establishment with using CC2530 as the core module and base on Z-STACK Protocol Stack, through programs the coordinator to achieve the construction of the WSN, meanwhile, the router can automatically accomplish the parent node function. Simultaneously, the paper introduces the composition and method of the developing software core--Zigbee Protocol Stack. It also shows the coordinator node hardware design schematics and software flow chart and the corresponding PCB map.Key W ord:Wireless Sensor Networks; CC2530; Zigbee; wireless network establishment目录基于CC2530的无线组网技术的研究与实现 (1)1 绪论 (3)1.1 选题依据和意义 (3)1.2 无线传感器网络技术研究背景及意义 (4)1.3 无线传感器网络技术简介 (4)1.3.1 国内外发展和应用现状 (5)1.3.2 未来前景展望 (6)2 IEEE 802. 15. 4/Zigbee无线传感器网络通信标准 (7)2.1 IEEE 802.15.4通信标准 (7)2.1.1 物理层(PHY) (7)2.1.2媒体访问控制层(MAC)规范 (8)2.2 Zigbee技术概述 (12)2.2.1 网络层(NWK)规范 (12)2.2.2 应用层(APL)规范 (13)2.2.3 Zigbee协议栈中各层之间的关系 (14)2.2.4 Zigbee的网络配置 (14)2.2.5 Zigbee协议术语 (15)3 CC2530介绍 (17)3.1 CC2530的相关特性 (17)3.2 CC2530结构分析 (18)3.2.1 功能模块介绍 (19)3.2.2 引脚描述 (20)3.2.3 CPU介绍 (22)3.3 CC2530应用 (22)4 相关硬件设计 (22)4.1 主电路设计 (22)4.1.1 外围电路设计 (22)4.1.2 电源电路设计 (23)4.1.3 串口电路设计 (23)4.2 PCB的设计 (24)5 相关软件的设计 (25)5.1 Z-Stack体系架构 (25)5.1.1 Z-stack软件架构 (26)5.2 各个功能节点的设计 (28)5.2.1 协调器节点的设计 (28)5.2.2 路由器节点的设计 (29)5.3 操作流程原理 (29)5.3.1 怎样建立网络 (29)5.3.2 怎样加入网络 (30)5.3.3 怎样离开网络 (31)5.4 操作流程与代码 (32)5.4.1 启动过程 (32)5.4.2 协调器组建网络 (32)5.4.3 路由器加入网络 (32)5.4.4 协调器启动 (32)5.4.5 路由器启动并且自动完成父节点功能 (34)5.4.6 数据发送 (34)5.4.7 数据接收 (35)6 设计总结 (35)6.1 设计成品 (35)6.2 系统设计总结 (36)6.3 未来深入研究方向 (36)致谢 (37)参考文献 (37)1绪论1.1 选题依据和意义现今社会无线取代有线已经是信息通讯领域的一个主流趋势,用便捷快速的方式传递信息是信息工程的一个重要的研究目标。
基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现一、引言近年来,随着无线通信技术的快速发展,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)已经成为了研究的热点之一。
WSN是由大量的分布式感知节点组成的网络,这些感知节点可以自动地收集、处理并传输周围环境中的信息。
而ZigBee无线传感器网络提供了一种低功耗、低成本、低数据速率的解决方案,被广泛用于环境监测、物联网和智能家居等领域。
本文将基于CC2530芯片,设计并实现一个ZigBee无线传感器网络,探讨其在物联网中的应用。
二、ZigBee无线传感器网络的架构ZigBee无线传感器网络的架构包括感知层、网络层和应用层。
(一)感知层感知层是ZigBee无线传感器网络中的底层,由一系列具备感知、采样和处理能力的传感器节点组成。
这些传感器节点能够感知周围环境中的各种信息,并将数据采样后发送到网络层。
(二)网络层网络层负责传感器节点之间的通信和数据传输。
每个传感器节点都有一个唯一的地址,通过网络层可以实现节点之间的无线通信。
网络层采用了自组织、自适应和多跳中继的方式,能够灵活地组网并保持网络的稳定性和可靠性。
(三)应用层应用层是ZigBee无线传感器网络中的最顶层,负责数据的处理和应用。
通过应用层,可以实现对传感器节点的控制和监测。
例如,在环境监测中,可以通过应用层实时地获取温度、湿度等数据,并进行相应的控制和分析。
三、CC2530芯片的选用与介绍CC2530芯片是由德州仪器(Texas Instruments)推出的一款专用于无线传感器网络的低功耗SoC芯片。
该芯片集成了处理器、射频收发器和外围接口等功能,具备良好的性能和低功耗特性。
CC2530芯片采用了IEEE 802.15.4标准的ZigBee协议栈,支持多种网络拓扑结构以及多种通信方式,适用于不同场景下的应用需求。
基于CC2530的ZigBee无线组网温度监测系统的设计麦军;邓巧茵;万智萍【摘要】Temperature has a very important impact on life, temperature changinginformation must bemonitoring in real-time. This design uses CC2530 chip as the processor plus CC2591 RF front-end consisting of ZigBee protocol for wireless networks;using DHT11 temperature sensor to collected temperature information and analyzed by LPC1114 chip; the main module receives each node transmits temperature data and then transmitted to PCvia RS232 serial port, PC analysis temperature information and then interact data in the form of chart, enabling users to predicted the changes in temperature trends.%温度对生活有着极其重要的影响,实时监测温度信息的变化成为必须.本设计使用CC2530芯片作处理器加上射频前端CC2591组成ZigBee协议的无线网络通信模块; 使用DHT11温度传感器采集到的温度信息通过LPC1114芯片进行采集并分析;主模块接收各个节点传送回来的温度数据,通过RS232串口传送到上位机,上位机对温度信息进行分析然后把数据以图表的形式进行交互,方便用户查看温度的变化还可预测温度趋势.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(023)022【总页数】5页(P117-121)【关键词】CC2530芯片;ZigBee技术;LPC1114芯片;DHT11温度传感器;实时温度监测【作者】麦军;邓巧茵;万智萍【作者单位】中山大学新华学院信息科学系, 广东广州 510520;中山大学新华学院信息科学系, 广东广州 510520;中山大学新华学院信息科学系, 广东广州510520【正文语种】中文【中图分类】TN919现代生产、生活都与温度息息相关,温度作为人们日常生活指标,影响着人们的行为活动,根据温度高低的不同继而进行应对,温度也影响着各种生命资源的存在,温度是构成地球上多种多样生命的重要因素之一。
基于CC2530的ZigBee无线网络的研究与设计基于CC2530的ZigBee无线网络的研究与设计摘要:由于ZigBee技术低成本,低功耗,使其在许多领域得到了广泛应用。
本文讨论了ZigBee协议网络拓扑结构、设备类型和协议架构,介绍了CC2530芯片。
然后我们在Z-Stack网络协议栈的基础上,做了一些测试的内容,如网络通信距离和丢包率的测试。
试验结果表明,ZigBee网络采用CC2530具有通信距离远、通信质量好的优点。
关键词:ZigBee; CC2530; 无线网络测试1导论随着无线通信技术的迅速发展,电力,通信的技术的可靠性和灵活性受到行业及研究员越来越多的重视。
低功耗、低成本、数据传输可靠和灵活的网络布局的特点,ZigBee已经成为最有发展前景的技术,在许多领域得到广泛的应用。
TI 的CC2530是一个真正的系统---专为IEEE 802.15.4、ZigBee、RF4CE和智能能源应用的芯片解决方案。
因此,设计并实现了基于CC2530 的大规模ZigBee网络是非常重要的。
2.ZigBee无线通信技术ZigBee无线通信技术是基于IEEE802.15.4标准的技术。
其良好的抗干扰性能可以帮助它在2.4GHz频段与Wi-Fi、蓝牙,无线USB,家用无线电话和微波炉可靠并存。
2.1 ZigBee网络的拓扑结构和设备类型有三种典型的拓扑结构的ZigBee网络支持:星形,树形和网状形。
我们可以选择的类型根据项目的要求。
ZigBee网络中有三种类型的设备:协调器,路由器和终端设备。
协调器是整个网络的中心,负责网络的建立、管理和维护安装。
它也可以控制监控区域。
路由器负责允许其他设备加入网络,多跳路由,包转发。
终端设备可以加入和离开网络,发送和接收数据,它可以选择不工作。
2.2结构的ZigBee协议ZigBee协议栈由四层组成的,其结构如图1所示。
IEEE802.15.4协议定义了物理层和MAC层,ZigBee联盟定义了网络层和应用层。
基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计一、概述随着物联网技术的快速发展,无线通信技术在数据采集领域的应用日益广泛。
ZigBee作为一种低功耗、低成本、短距离无线通信技术,在智能家居、工业自动化、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
基于CC2530的ZigBee数据采集系统,充分利用了ZigBee技术的优势,实现了高效、稳定的数据采集与传输功能。
本系统以CC2530芯片为核心,构建了一个完整的ZigBee无线通信网络。
CC2530芯片是德州仪器(TI)公司推出的一款基于8051内核的无线单片机,具有高性能、低功耗的特点。
通过CC2530芯片,系统可以实现数据的采集、处理、传输以及网络管理等功能。
在数据采集方面,系统通过外接传感器实现对温度、湿度、光照等环境参数的实时监测。
传感器采集到的数据经过CC2530芯片处理后,通过ZigBee网络传输至协调器节点,再由协调器节点将数据上传至上位机或云端服务器进行进一步的分析和处理。
本系统还具备网络管理功能,可以对ZigBee网络进行配置、监控和维护。
通过上位机软件,用户可以实时查看网络状态、节点信息以及采集到的数据,并进行相应的操作和管理。
基于CC2530的ZigBee数据采集系统以其高效、稳定、低功耗的特点,在物联网领域具有广泛的应用价值。
本文将对系统的硬件设计、软件编程以及实现过程进行详细阐述,为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
1. ZigBee技术概述《基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计》文章“ ZigBee技术概述”段落内容ZigBee技术是一种专为短距离、低速率无线通信设计的协议,它基于IEEE 4标准,具有低功耗、低成本、高可靠性及高安全性等特点。
该技术最初被称为“HomeRF Lite”和“FireFly”,后统一命名为ZigBee,其命名灵感来源于蜜蜂通过Z字形飞行交流食物源信息的自然现象。
ZigBee技术广泛应用于智能家居、工业自动化、农业智能化等领域,在这些领域中,ZigBee技术以其独特的优势,为数据采集和传输提供了高效的解决方案。
基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计李俊斌;胡永忠【摘要】ZigBee无线传感网络在的家居、工业、医疗等领域应用的发展暗示着它已经成为一种新的技术趋势。
为了快速构建自己的无线通信网络,从应用方面着手对ZigBee技术的网络拓扑结构进行研究和介绍,在IAR开发环境下,采用TI公司的Z-STACK协议栈,以CC2530芯片为核心构建了一个无线传感网络,硬件设计中重点讨论了匹配电路和倒F天线的设计,并且对应用层软件设计流程进行说明。
最后构建了一个由6个节点组成的星型网络,各终端器利用CC2530自带的A/D转化器采集温度数据并通过网络汇聚到协调器。
实现了ZigBee网络的通信并验证了ZigBee网络自组网、网络自愈的特性。
%The application of ZigBee wireless sensor network in the fields of intelligent home,industry,medical health and others implies that Zigbee is becoming one trend of new technology.In order to build wireless communication network yourself quickly,the ZigBee network topology was researched and introduced in this paper.A kind of wireless network is built using the SOC chip CC2530 and TI's Z-STACK protocol under the development environment IAR.The hardware design is introduced focus on match circuit and invert F antena,the application layer of protocol is explained in the design of software designing.At last,a star network is built including six nodes,the signal of temperature is gathered by ADCs in CC2530 and transferred to a coordinator.The experimental result shows the self-organization and self-repair function of ZigBee network are realized.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2011(019)016【总页数】4页(P108-111)【关键词】CC2530;IFA;ZigBee;无线网络【作者】李俊斌;胡永忠【作者单位】电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学电子工程学院,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TN925为了满足人们日益对智能化生活的需求,在微电子技术、计算机技术发展推动下,无线传感网络取得长足发展,其在各方面的应用暗示着它已经成为一种新的技术趋势。
基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现随着物联网技术的迅猛发展,无线传感器网络在各个领域发挥着重要作用。
ZigBee作为一种低功耗、低数据传输率、广域无线通信技术,逐渐成为无线传感器网络中的主流技术之一。
本文将以CC2530为硬件平台,设计并实现一个基于ZigBee的无线传感器网络。
首先,我们将介绍CC2530这款硬件平台的特点和功能。
CC2530是德州仪器(Texas Instruments)推出的一款具有微控制器和无线收发器功能的系统级芯片。
它集成了强大的处理能力和丰富的外设接口,可以支持多种无线通信标准,包括ZigBee。
为了简化设计和开发过程,我们选择CC2530作为我们的硬件平台。
其次,我们将讨论无线传感器网络的设计思路和目标。
无线传感器网络由大量分布在空间中的无线传感器节点组成,这些节点可以收集、传输和处理环境中的各种信息。
基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、低成本和易于扩展的优势。
我们的设计目标是实现一个具备稳定性、可靠性和高性能的无线传感器网络。
然后,我们将详细介绍无线传感器网络的硬件组成和功能模块。
无线传感器网络通常由无线传感器节点、协调器和基站组成。
无线传感器节点负责数据采集和传输,协调器负责网络管理和节点通信,基站则负责数据处理和存储。
我们将详细介绍这些硬件组成和各自的功能模块,并阐述它们之间的关系和通信方式。
接下来,我们将介绍无线传感器网络的软件设计和实现。
在无线传感器网络中,软件设计起着至关重要的作用。
我们将采用CC2530的软件开发工具包,对协调器和无线传感器节点的软件进行开发和调试。
在软件设计中,我们将涉及到无线通信协议的选择、节点的路由算法、数据采集和处理算法等。
最后,我们将对设计实现的无线传感器网络进行测试和评估。
我们将利用实际的场景和环境,对无线传感器网络的性能和可靠性进行测试。
通过数据分析和对比,我们将评估无线传感器网络在不同场景和环境下的适用性,并提出可能的改进和优化方案。
课程设计CC2530智能家居系统的设计与实现所在专业通信工程所在班级通信1092学生姓名指导教师冯青职称讲师时间2012年11 月23 日CC2530智能家居系统的设计与实现摘要:基于ZigBee协议栈构建了组网配置灵活且稳定的无线自组织网络系统,并在此基础上通过利用各种传感器和光耦合器等将其应用于智能家居系统。
采用温度传感器和光照度传感器采集信息监测环境,根据环境温度和光照强度信息,使用光耦合器智能控制空调电源和电灯等家电的开关,再反馈回芯片加点的工作状态,同时设计遥控节点和上位机可以随时控制开关。
关键词:智能家居;ZigBee;CC2530;自组网;低功耗;节能一、设计说明本设计利用CC2530是TI公司设计的第二代兼容ZigBee/IEEE802.15.4标准的载波频段是2.4G 免申请许可的无线单芯片。
具有业内领先的抗干扰性,链路预算,可以在较宽的电压范围内正常工作。
此外,CC2530还有广泛的硬件支持,包括数据包侦听,数据缓冲,突发传输,数据加密,数据认证,信道清理评估,链接质量指示,数据包时戳等。
系统采用TI的无线SoC集成芯片CC2530,基于TI的ZigBee2007/Pro协议栈,即Z-Stack软件构架实现无线自组织网络。
网络由ZigBee协调器节点、路由节点和终端节点组成。
其中协调器初始化一个ZigBee无线网络,是整个网络的协调者,负责整个网络和与外界的联系,基于ZigBee协议栈构建了组网配置灵活且稳定的无线自组织网络系统,并在此基础上通过利用各种传感器和光耦合器等将其应用于智能家居系统。
采用温度传感器和光照度传感器采集信息监测环境,根据环境温度和光照强度信息,使用光耦合器智能控制空调电源和电灯开关等家用电器,同时设计遥控节点和上位机可以随时控制开关。
我针对开发的智能家居控制系统是以建筑住宅为目标而设计的专业平台,将多向控制为核心,打造智能家居一体化以及服务管理多效合一的高效、安全、方便、节能为一体的智能家居控制系统,他以先进的通讯控制技术,组织成为以家居服务为前提,然后以家电自动化系统为服务功能的管理集成系统,充分体现方便的网络信息便利优势,以利于完成居住者舒适、方便的高效安全住宅。
mac定时器用于实现网络同步,使用aes技术对信息进行加密,无线模块完成收据的收发与信息帧控制。
2.2zigbee网络节点设计要求
(1)可供选择的无线频段。
无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能,同时要具备一定的抗干扰力。
2.4ghz频段是ieee502.15.4定义的工作在ism频段的两个工作频段之一,有16个速率为250kb/s的信道。
(2)体积小,成本低,易于大规模布建。
zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网,这就需要布建大规模的网络节点,因此成本问题凸显出来,有资料显示:10$左右的zigbee 网络节点有较高的性价比。
(3)可靠性。
与有线传输介质相比,无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题,zigbee网络是工作在2.4ghz ism频段,与其他无线信道之间干扰是不可避免的。
为保证网络在有效范围内建立可靠的传输,网络节点应选择合理的信道接入方式,有效减少帧冲突,使用合理的扩频技术。
(4)通用性。
布建zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作,主要是i/o操作和a/d操作,这就要求网络节点有一定的通用性,能满足各类传感器和终端设备的操作要求。
(5)低功耗,支持电池供电。
低功耗是zigbee的重要特征,支持休眠-唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。
典型的zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。
zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。
3硬件设计
3.1芯片选型
zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。
微处理器模块在无线收发模块的协作下完成zigbee网络的建立与维护,数据采集与处理,无线数据收发以及zigbee2007协议栈的正常运行[3]。
在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案,本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。
设计选用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256,工作在2.4ghz频段,是符合ieee 802.15.4规范的真正片上系统解决方案,也是目前众多zigbee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。
其主要特性如下:
(1)片内集成增强型高速8051内核处理器,支持代码预取;256kflash程序存储器,支持最新zigbee2007pro协议;8k数据存储器;支持硬件调试[3]。
(2)支持2v-3.6v供电区间,具有3种电源管理模式:唤醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中断模式0.4ua。
包括处理器和智能片内外设在内的模块,具有超低功耗的特点[3]。
(3)片内集成5通道dma;mac定时器;1个16位、两个8位普通定时器;32khz睡眠定时器;电源管理与片内温度传感器;8通道12位ad转换器;看门狗等智能外设[3]。
高密度集成化电路节约设计成本。
(4)应用范围包括2.4g-hz ieee802.15.4系统、rf4ce远程控制系统、zigbee网络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗wsn等领域[3]。
cc2530芯片结构如图3所示。
图3cc2530片内功能模块图
3.2硬件整体设计
在网络节点硬件平台中,cc2530需要实现的功能以及外围模块主要有3个部分:通过a/d口控制传感器模块进行数据采集;控制无线rf模块完成数据收发;通过i/o口相应主机控制。
传感器采集的数据也可通过i/o口与微处理器相连,通过rs232接口可实现网络节点与pc机的通信[3]。
外围硬件电路原理图如图4所示。
图4网络节点硬件参考电路图
由于cc2530芯片内集成了许多特色功能模块,因此,其典型的外围电路也就非常简洁。
其中,主时钟晶振采用32mhz无源晶振以及32.768khz时钟晶振;无线rf模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络,天线使用50欧鞭状负极性天线,具体的元器件封装信息参见附表所示。
附表网络节点封装信息表
为了更好提高芯片内部电压精度,输入电压应采用调制后的3.3v稳压电源,接内部参考电压的外围电阻r301精度要在0.5%以上,且选用质量较好的电感、电容等器件。
为了指示网络节点的运行状态,在硬件设计中加入两个状态指示灯,使用220欧的限流电阻,分别接在微处理器芯片的p10、p11口,用于指示设备入网、退网等状态,方便开发人员观察,指示灯为可选电路,可根据需求选择使用。
3.3pcb设计
cc2530的zigbee网络节点pcb设计是硬件设计的关键,它同时具备数字电路与高频电路的特点。
在元件布局尽量紧凑、美观;在数字信号线走线上做到自然、平滑;高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰,并符合天线特性;节点接口分布采用ti标准接口形式,结构稳固可靠。
由于cc2530集无线收发和微处理器于一体,只需要极少的外围辅助电路[3],因此pcb的设计要完全适合无线传感器网络应用。
本设计中zigbee网络节点pcb图和实物如图5所示。
pcb板的尺寸为长宽高25mm×41mm×1.6mm,接口为11×2双排插针,间距2.54mm。
接口管脚定义为ti的标准接口。
图5通信模块图
3.4硬件测试
经实地测量,在不加功率增益的情况下有效传输距离120米;最大输出功率10dbm;接收灵敏度-97dbm;功耗方面:接收模式24ma,发送模式29ma,低功耗模式0.4ua。
该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点,8路模拟量输入接口,4路数字量输入输出接口,2路数字量输出接口和1个rs232接口。
4结束语
本文介绍了zigbee网络节点设计要求、性能特点与构建框架和较为详尽的设计过程;给出了外围电路的设计以及实际设计出的实物和元器件参数;无线射频部分的特点和pcb 设计中的注意事项。