本科毕业论文-基于ZigBee的数据采集系统的设计(4)

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利用ZigBee技术可以方便地组建廉价的低速率无线个域网。ZigBee网络基础主要包括设备类型、拓扑结构、路由方式三方面的内容。作为网络基础的网络节点类型，它主要反应了网络的拓扑结构。ZigBee标准规定了协调器（Coordinator）路由器(Router)和终端节点（End Device）三种网络节点。符合IEEE 802.15.4协议的无线传感器网络中有两种终端设备，分别为：全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）。FFD可以执行IEEE 802.15.4标准中描述的所有功能，并且可以扮演网络中的任何角色。但是，RFD只有FFD的部分功能。RFD设备的处理能力和内存远远小于FFD设备。 ZigBee设备的类型以及功能的描述见表2-1：

表2-1 ZigBee设备类型机器功能

ZigBee的设备类型 协调器 IEEE 802.15.4的设备类型 FFD 典型功能 除路由器的典型功能外，还包括创建和配置网络，存储绑定表等功能 路由器 FFD 允许其他节点加入，分配网络地址，提供多条路由和数据转发，协调终端设备完成通讯 终端设备 RFD 完成节点的休眠的唤醒、传感器的控制功能 路由器作为形成网络的重要设备，当网络采用树状或者网型拓扑结构时，它可以充当协调器，使数据的传输距离得到加长。它不仅可以完成自身节点数据的处理，还可以作为数据的“传送站”，传递从其他节点接收到的数据，与终端设备完成通讯。

终端节点的主要任务就是接收和发送信息，当终端节点没有接收和发送任务时，节点处在休眠状态，以降低能量消耗。

终端节点主要任务是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗[2]。

ZigBee标准与IEEE 802.15.4的区别图2.3所示：

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ZigBee协调器（IEEE 802.15.4 PAN协调器）ZigBee设备角色ZigBee协调器（IEEE 802.15.4 协调器）ZigBee协调器（IEEE 802.15.4 设备）PAN协调器（FFD）IEEE 802.15.4 设备角色协调器（FFD）设备（RFD or FFD）

图2.3 IEEE 802.15.4和ZigBee标准中的设备角色

ZigBee网络主要有三种组网形式：星型网络、树状网络和网状网络[5]。

（1） 星型网络：

协调器路由器

图2.4 星型网络

星型网络拓扑是最常见的拓扑网络形式，如图2-4所示。由图可以看出，星型网络拓扑结构是由一个ZigBee协调器节点和多个终端设备节点组成的。网络中的数据共享只能发生在协调器和终端设备节点之间，不能由一个终端节点传输到另一个终端设备节点。当协调器节点组建一个属于自己的网络的时候，它会第一时间在其射频范围内找到一个唯一的标识符，并且保证这个标示符没有被其他网络设备所使用。

（2） 树型网络

树型网络拓扑结构如图2.5所示。由图可以看出，树形网络的协调器不同于星型网络中的网络协调器，它可以不仅可以与终端节点进行数据传输，而且可以和由节点组建的子网络充当协调器的子节点建立数据共享。但是直接数据共享只能出现在父子关系的节点之间，跨级的节点之间不能出现直接的数据通信，又有通过与其相连的子路由器节点进行数据的间接共享。不过，利用这种数据的间接传递实现数据信号的“多级跳”，可以拓展网络覆盖区域，增加网络传输距离。但是，随着网络的不断扩大，

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节点的时延会叠加，使信号延迟不断严重。

协调器路由器终端节点

图2.5 树状网络

（3） 网状网络 网状拓扑如图2.6所示。

协调器路由器

图2.6 网状拓扑

当两个设备距离足够近的话，他们会自己连接并组建成网络。这样多对近距离的网络节点就会组成网状无线数据传传输[6]。因为在网状拓扑结构中节点都具备数据信号转发的功能，因此网状结构中的设备只能是全功能设备FFD。精简功能设备RFD在网状结构中不是没有用，他可以充当特定设备，比如路由器。如果某些节点间的通信可由其他中继节点转发且不甚影响网络性能，可不必直接互联。因此在地域范围很广节点数目较多时，都是部分节点连接的任意拓扑结构。

综上所述，不论什么样的网络拓扑结构，一个IEEE 892.15.4网络总会存在一个协调器，并由它创建网络。网络协调器控制网络并执行以下职责：

? 在组建的网络内，给每个终端设备一个特定的身份信息，即适用于本网络的

地址。

? 初始化、终止、转发网络中的信息。

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整个网络中只有一个网络协调器，并且它需要较长的活跃周期。因此，网络协调器通常连接到一个主电源，并非是电池。处理协调器外的设备不是每时每刻都保持在工作状态，而只有需要数据采集的时候处于工作状态，其余时间都在休眠状态。所以，终端设备用电池就可以满足其电路需求。

2.3 ZigBee无线芯片的选取

ZigBee技术的快速发展，广大芯片商制造出来许多型号符合ZigBee标准的芯片。目前，ZigBee联盟中的各大芯片生产厂商如Chipcon、Ember、Freescale等厂商都推出了ZigBee无线解决方案。表2-2中选取了几种有代表性的芯片进行比较。

为了能在能够完成设计要求，又能简化设计，通过比较发现，CC2530比较符合我们的设计要求。CC2530是以系统芯片CMOS为解决方案的。这种解决方案可以提高系统性能并可以满足以ZigBee为基础的集成开发环境作为支持。CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合对电池寿命要求比较高的应用。

表2-2 ZigBee芯片比较

芯片型号 JN5121 MCU 32位RISC 16MHz MC132XX 8位 40MHz EM250 16位XAP 内存容量 96K RAM, 64K ROM 4K RAM， 60K Flash 5K RAM, 128K Flash CC2530 8051内核 32MHz 8K RAM， 128K Flash 1uA 25/34mA ADC，Timer，UART 1.5uA 40uA 休眠电流 收发电流 5uA 外围接口 50/40mA ADC，DAC，UART，SPI,12C，Timer，Comparator 37/30mA ADC，UART，SPI,12C，Timer，Comparator 29/33mA ADC，UART，SPI,12C，Timer

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第三章 硬件电路的设计

3.1 总体设计方案

本文所设计的无线数据采集系统，总体上利用两个CC2530模块，一个作为主协调器，另一个作为普通设备形成一个最简单的数据采集网络。系统整体框图如图3.1所示。完成本设计，主要是针对主协调器模块的设计。主协调器模块中包含基础的CC2530基本电路，负责通信任务，还有就是一些外围电路，比如LCD显示电路、供电模块、串口转USB电路等。主协调器负责网络的监管，允许终端节点的加入和离开，并且接受并且存储由终端节点采集来的信息，然后将所接收到的信息进行显示。其中，LCD显示模块负责将终端节点所采集到的实际数据进行显示。USB串口转换模块负责CC2530芯片与PC机进行信号交换。供电模块负责整个系统的能量供应，满足工作状态和休眠状态和电量需求，并达到低耗能的系统设计要求。

天线存储器CC25308051MCUA/D转换电源管理图3.1 系统整体框图

通用接口LCD模块键盘电路复位电路USB转串口PC 本课题的硬件电路设计可以分为CC2530基本工作电路和节点外围电路两大部分。外围节点电路主要是为了可以实现组网的功能，并实现程序的下载和与计算机通讯等功能。外围电路主要由前端的数据采集电路、与PC相连进行节点程序下载的串口通信电路、还有其他基本功能的电路组成。本文所指出的CC2530芯片完全能够满足设计要求，能够完成无线数据的采集。各模块的电路在后文逐一给出。

3.2 CC2530无线单片机介绍

CC2530模块是基于ZigBee 2007标准的芯片，模块使用了SMT工艺批量生产，一致性好，可靠性高；模块工作在免费的2.4GHz频段，数字I/O接口全部引出，用处广泛。CC2530在设计时就将所有的I/O口外置，这样做就是为了方便用户对芯片进行二次开发，充分发挥芯片的潜能。CC2530的核心是增强型的8051微控制器，并且芯片内部还包含一个高性能的射频收发器，并且支持芯片系统内进行编程，系统为芯片提供10dB的链路宽频带，拥有8kB的内存容量，因此芯片中的RF射频收发器

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