电子系统设计创新与实践11 概述概述1.1 课题的目的、背景和意义课题的目的、背景和意义最近几年来，由于无线接入技术需求日益增大，以及数据交换业务（如因特网、电子邮件、数据文件传输等）不断增加，无线通信和无线网络均呈现出指数增加的趋势。有力的推动力无线通信向高速通信方向发展。然而，工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等无线通信还未涉足或者刚刚涉足的领域，这些领域对数据吞吐量的要求很低，功率消耗也比现有标准提供的功率消耗低。此外，为了促使简单方便的，可以随意使用的无线装置大量涌现，需要在未来个人活动空间内布置大量的无线接入点，因而低廉的价格将起到关键作用。为降低元件的价格，以便这些装置批量生产，所以发展了一个关于这种网络的标准方案。Zigbee 就是在这一标准下一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。对于这种短距离、低功耗、低数据传输无线技术，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有着巨大的应用价值，未来应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，这种技术的大规模商业应用还有待时日，但已经显示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更广泛应用。1.2 国内外无线技术相关现状及国内外无线技术相关现状及 Zigbee 现状现状无线通信从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段：第一阶段为 20 年代初至 50 年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期出现才出现 150MHVHF 单工汽车公用移动电话系统 MTS。第二阶段为 50 年代到 60 年代，此时频段扩展至 UHF450MHZ 器件技术已向半导体过渡，大多为移动环境的专用系统，并解决了移动电话与公用电话的接续问题。第三阶段为 70 年代初至 80 年代初频段扩展至 800MHZ，美国 Bell 研究所提出蜂窝系统概念并于 70 年代末进行了 AMPS 试验。电子系统设计创新与实践2第四阶段为 80 年代初至 90 年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个通信业务方向迈进，此时出现 D-AMPS、TACS、ETACS、GSMDCS、cdmaone、PDC、DECT、PACS、PCS、等各类系统与业务运行。第五阶段为 90 年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题内。近 10 年来，我国在移动通信领域的科研、设备生产等方面也取得了可喜的进步，国产移动通信设备交换系统、基站和手机等都已经投入生产，并陆续投方市场，第三代移动通信系统的开发和研究也正与世界同步。21 世纪的电信技术正进入一个关键的转折期、未来十年将是技术发展最为活跃的时期。信息化社会到来以及 IP 技术兴起，正深刻地改变着电信网络的面貌以及未来技术发展走向，未来无线通信技术发展主要趋势是宽带化、分组化、综合化、个人化。无线技术也分不同种类，通常以产生无线信号的方式来区分，目前主要的方式有调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线技术三种，其成本和特点也不尽相同。广泛应用于音响 键鼠等各项内容，有很好的发展。而所谓无线技术，就是通过发射模块，以波的形式由接收模块接收，之后把发射的内容解调出来。Zigbee 无线技术是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络，类似于GSM（全球移动通信）和 CDMA（数字通信中出现的一种先进无线扩频通信技术） ，Zigbee 模块类似与移动网络基点，Zigbee 技术是建立在 IEEE802.15.4 标准上，为了促进 Zigbee 技术发展，2001 年 8 月成立 Zigbee 联盟，2002 年下半年，英国 invensys公司、日本三菱电子公司、摩托罗拉电子公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加入“Zigbee 联盟” ，目前该联盟已经有 150 家成员，以研发名为Zigbee 的下一代无线通信为标准。其功能超越蓝牙简单而实用，大规模简化蓝牙的复杂，专注于低传输应用，但是 Zigbee 不支持语音，而其低功耗、低价格和可靠是它的亮点，让它超越蓝牙简单而实用。预计在未来 Zigbee 无线传输将大规模占领市场。1.3 课题任务要求课题任务要求（1）实现 Zigbee 无线模块间的无线通信；（2）发射模块间传输距离大于 100 米；电子系统设计创新与实践3（3）发射模块间可以实现点对点和广播传输数据，即有相同的通信协议；（4）传输数据在 PC 或 1602 液晶屏上显示出来；（5）个人电脑内对单片机的控制；（6）实现单片机对 zigbee 模块的控制与设置；（7）与同一课题并采用 zigbee 方案的其他小组组成小型局域网络，相互通信。电子系统设计创新与实践42 技术方案技术方案如下图所示，此次技术方案是：应用 Zigbee 模块的接收与发送数据功能，对数据的接收与发送，Zigbee 模块连接在单片机功能引脚 TXD、RXD，这样可以对传送数据处理，用单片机的 I/O 口连接上液晶显示屏可以对接收与发送的数据显示，串口连接上单片机与 PC 机相连，可对单片机输入程序控制和输入发送数据。基于 stc89C52 单片机组成的系统，对 zigbee 和 1602 液晶屏进行控制和通信。单片机控制 系统Zigbee模块电源电路串口pc机液晶显示器图 2-1 技术方案框图其他无线模块电子系统设计创新与实践52.1 芯片选择芯片选择ZigbeeZigbee 模块模块型号：DRF1605，主要功能：串口(UART)转 Zigbee 无线数据透明传输。这次我们实习无线接受与发送运用 Zigbee 模块，Zigbee 模块接收与发送是这样的：Zigbee 模块有两种节点模式，一种是 coordinator（主节点） ，另一种 Router（从节点），这两种节点可以有各自的 PAN ID（地址） ，Zigbee 模块出厂默认地址是 Router 一种，可以用软件修改其 PAN ID，当有一个 coordinator 节点时，其他的 Router 可以与其连接，当很多 Router 节点在这 coordinator 节点连接时，就可以形成一个网络，在这网络中任意节点可以相互传输数据。Zigbee 模块传输数据有两种方式：一种数据透明传输，另一种是数据点对点传输，所谓透明传输，就是 coordinator 主节点这网络上发送数据时，任意 Router 都能接收到发送的数据；而点对点传输，就是在 coordinator网络发送数据时，任意两个节点间发送数据，只能这两节点收到数据。图 2.2 Zigbee 结构及引脚定义图转串口芯片转串口芯片选用 MAX232。RS232C 是一种电压型总线标准，可用于设计计算机接口与终端或外设之间的连接，以不同的极性的电压表示逻辑值。-3 至-25 表示逻辑“1” ，+3 至+25电子系统设计创新与实践6表示逻辑“0” ，其电平是 TTL 和 CMOS 电平是不同的，所以在通信时必须进行转换。MAXIM 公司的 MAX232 接收/发送器是 MAXIM 公司特别为满足 EIA/TEA2232 的标准而设计的，它们具有功耗低、工作电源为单电源、外接电容仅为 0.1uF 或 1uF 的电容，其价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。MAX232 引脚 C1+与 C1-、C2+与 C2-、V+与 VCC、V-与 GND 之间的 4 个 0.1uF 的电容不可缺少，一般选用陶瓷介质的电容。MAX232 可以用作单片机和单片机之间、单片机和 PC 机串口之间的符合 RS232 串行接口电路。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，编程即可3。图 2.4 Max232 内部结构及一家定义STC89C52STC89C52 单片机单片机控制核心单片机选用 STC89C52，完全能满足本系统要求。表 2.11 P3 口功能引脚端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2(外部中断 0)0INTP3.3（外部中断 1）1INT电子系统设计创新与实践7P3.4T0（定时器 0）P3.5T1（定时器 1）P3.6（外部数据存储器写选通）WRP3.7（外部数据存储器都选通）RD3. 硬件设计硬件设计3.1 Zigbee 模块引脚连接设计模块引脚连接设计图 3.1 Zigbee 模块电路图3.2Zigbee 模块电源设计模块电源设计Zigbee 模块电源采用的是 3.3v 直流电，电路中直接采用四个电容滤波，用芯片LM1117-3.3 稳压得到。单片机系统采用的是 5V 直流电，用 7805 稳压芯片可得。电子系统设计创新与实践8图 3.2 电源电路 3.3V图 3.3 电源电路 5V3.3 单片机设计电路单片机设计电路图 3.4 单片机连接图电子系统设计创新与实践93.4 串口电路设计串口电路设计图 3.5 串口电路电子系统设计创新与实践104.软件设计软件设计4.1 软件功能说明软件功能说明按本课题设计要求，程序所要实现的功能如下：1） 、实现 1602 液晶屏实时显示系统状态，提供较好的人机界面；2） 、实现通过按键设置 Zigbee 模块的工作模式，即给 zigbee 发送命令，zigbee工作状态及命令见附录；3） 、用预先定好的通信协议进行数据的收发控制，实现点对点通信和广播数据，并在 1602 显示系统的工作状态。4.2 软件总流程图软件总流程图无线通信系统图 4-1 整体思路单片机个人电脑Zigbee 无线收发模块功能键LED1602 显示其他无线收发模块电子系统设计创新与实践11按上图设计思路编写程序，程序流程图如下：图 4-2 程序流程图4.3 各功能软件各功能软件4.4 软件测试软件测试4.5 软件设计总结软件设计总结功能键扫描程序开始1602 液晶显示程序初始化设置 Zigbee 程序与无线模块的数据传输控制程序电子系统设计创新与实践125.通信协议通信协议5.1模块说明模块说明这次实习，我们用的是 ZigBee 模块，DRF 系列 ZigBee 模块目前包括DRF1601、DRF1602、DRF1605、DRF1605H、DRF2617-ZR232、DRF2618-ZUSB、DRF2619-ZR485 及相关配套底板，它是基于 TI 公司 CC2530F256 芯片，运行 ZigBee2007/PRO 协议的 ZigBee 模块，它具有 ZigBee 协议的全部特点，这有区别于其它种类的 ZigBee 模块。其主要特点包括： （一）自动组网：所有的模块上电即自动组网，Coordinator 自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业 ZigBee 组网流程； （二）简单数据传输： 串口数据透传：Coordinator 从串口接收到的数据会自动发送给所有的节点，某个节点从串口接收到的数据，会自动发送给 Coordinator。 通过串口即可在任意节点间进行数据传输，数据传输的格式为：0xFD（数据传输命令）+ 0x0A（数据长度） + 0x73 0x79（目标地址） + 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10（数据，共 0x0A Bytes） ； （三）唯一 IEEE 地址：DRF 系列模块采用的 TI CC2530F256 芯片，出厂时已经自带IEEE 地址，用户无需另行购买 IEEE 地址，IEEE 地址（MAC 地址）可作为 ZigBee 模块的标识； （四）用户可更改节点类型：用户可通过串口指令更改模块的节点类； （五）用户可更改无线电频道：用户可通过串口指令更改模块使用的