毕业设计论文基于ZigBee智能家居的无线数传终端模块的设计

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1、无线数传模块的设计摘 要无线传感器网络(WSN)综合了传感器技术、微电子机械系统嵌入式计算技术因其具有十分广阔的应用前景，所以成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文首先介绍了无限传感器网络的特点，然后介绍智能家居网络研究意义，简要地介绍了智能家居在国内外发的展现状况，接着介绍几种无线通信技术，鉴于比较结果，本文选取的无线通信技术为ZigBee技术，所以着重介绍ZigBee技术及其特点。具体实现方面，本文从硬件、软件着手。了解通信系统和嵌入式系统的一般开发原则，选择合适的软硬件平台。采用Freescale公司一站式解决方案，采用MC13192作为RF射频模块，MC9S08GT60作为

2、微控制器（MCU），首先介绍这两个芯片的功能，然后再说明他们的具体设计以及他们之间的相互通信方式。接着从软件部分入手，说明开发环境，编写他们的驱动程序，根据软件流程图编写程序，设计出一个基于ZigBee智能家居的无线数传终端模块。关键词：zigbee 无线传感器网络 MC9S08GT60 MC13192IIIDesign of Wireless Data Communication ModuleAbstractWireless sensor networking (WSN), a combination of sensor technology, embedded computing tech

3、nology because it has a very wide range of applications, so become academic and industrial research in new areas of research. This paper describes the characteristics of infinite sensor networks, then introduces the intelligent home network of meaning, a brief introduction to the smart home display

4、conditions issued at home and abroad, and then introduce several wireless communication technologies, given the results of the comparison, this selection of wireless communications technology for the ZigBee technology, the highlight features of ZigBee technology and its.Realizes the aspect specifica

5、lly, this article from the hardware, the software begins. The understanding communications system and embedded systems general development principle, chooses the appropriate software and hardware platform. Uses the Freescale Corporation one-stop work style solution, uses MC13192 to take the RF radio

6、 frequency module, MC9S08GT60 takes the micro controller (MCU), first introduced that these two chips the function, then shows their concrete design again as well as between them the mutual mailing address. Then obtains from the software part, to explain the development environment, compiles their d

7、river, according to the software flow chart write program, designs one non-line number which lives at based on the ZigBee intelligence to pass on the terminal module.Key Words：zigbee；Wireless sensor networks；MC9S08GT60；MC13192目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 无线传感器网络简介11.1.1 无线传感器网络的概念11.1.2 无线传感器网络的特点11.

8、1.3 无线传感器网络的应用21.1.4 本文研究方向21.2 智能家居的研究意义和现状31.2.1 智能家居的研究意义31.2.2 智能家居研究的现状31.3 几种常用的短距离无线通信技术41.3.1 几种常用的短距离无线通信技术41.4 ZigBee技术简介61.5 本文工作7第二章 总体设计82.1 嵌入式系统设计指导原则82.1.1 嵌入式系统的概念82.1.2 嵌入式系统的开发流程82.2 Zigbee网络总体设计方案82.3 硬件平台92.3.1 选型原则92.3.2 微处理器MC9S08GT60简介102.3.3 MC13192简介102.4节点具体设计112.4.1 CPU支撑

9、电路112.4.2 电源电路122.4.3 串口通信电路132.4.4 GT60与MC13192接口电路132.5 射频电路142.5.1 MC13192支撑电路152.5.2 天线电路16第三章 软件的设计183.1 开发环境183.2 硬件驱动程序设计193.2.1 驱动程序总体概要193.2.2 SPI驱动203.2.3 SPI通信程序223.2.4 MC1392驱动233.3 硬件初始化253.4 系统程序的设计25参考文献29致谢33南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 无线传感器网络简介无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方

10、式形成的一个多跳自组织网络。近年来，随着无线通信技术、微机电系统技术、半导体技术、嵌入式技术、传感器技术、分布式信息处理技术等的飞速发展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的无线传感器网络技术，已经越来越引起人们的研究兴趣和广泛关注。本章首先论述了无线传感器技术的概念、特点、应用、体系结构以及它的发展历程，然后再论述了无线传感器网络的研究意义和研究现状，接着简单介绍了无线通信技术ZigBee，最后说明本设计的主要研究内容。1.1.1 无线传感器网络的概念无线传感器网络（Wireless Sense Network，简称WSN），是传感器、微电子和网络通信等技术结合的产物。无线传感器网络节点被随机

11、分布在被检测的区域内，节点之间通过无线通信技术相互通信，从而形成一个多端点的自组织网络系统，其目的是采集被覆盖区的信息，然后将信息集中在一个节点上，发送给观察者。1.1.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络与其他无线通信技术相比较，其特征如下：1、拓扑变化。假若有新的节点加入网络，或之前的节点因各种原因离开网络，或其他的改变而使一些节点暂时无法实现通信时，网络结构能够做出适当的调整从而改变拓扑结构以致顺利完成通信。2、自组织。无线传感器网络可以根据自己的算法，自己组织成网络，不管在何时何地都可以把覆盖的范围内的节点组织起来。3、以数据为中心。在实际的应用中，无线传感器网络主要目的是获得用户所

12、监测区域内的相关数据。4、规模大，密度高。无线传感器网络可以在检测区内分布更多的节点，来提高网络的覆盖范围和面积。5、可靠性强。无线传感器网络可以分布在一些环境恶劣或者无人区域，这样，以致于网络维护变得相当困难。所以要求传感器网络节点要很坚固而且不易破坏，更要适应那些较为极端的环境。6、安全性差。由于采用了无线信道、分布式控制技术，所以网络就会更容易受到被动窃听、主动入侵等攻击。1.1.3 无线传感器网络的应用鉴于传感器技术和节点间的无线通信能力，无线传感器网络就有广阔的应用前景：1、军事应用。无线传感器网络的相关研究最早起源于美国的军事应用领域。他能够实现对敌军地形和兵力布防及装备的侦查、战

13、场实时监视、战场评估、定位攻击目标和搜索等功能。如美国BAE系统公司为提高美国的电子战能力而研发的“狼群”地面无线传感器网络系统，就是一个典型的无线传感器网络。2、医疗应用。通过无线传感器网络可以实时的检测人体的生理数据、健康状况，还可以进行医院药品的管理、以及远程治疗等。3、工业应用。包括建筑设施的安全性监测系统、交通管理系统、车辆的跟踪系统，在一些危险的工作环境，如核电站、矿井等，可利用无线传感器网络探测工作现场及他们的安全保障等重要信息并反馈给观察者。4、家庭应用。把传感器嵌入到家具或者家电中，然后将其和因特网连接起来，将传感器得知的信息通过网络传递给人们，并让人们可以控制家电家具，为人

14、类提供舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。用户可以远程控制家中的电话、电脑、电饭锅、录像机等等让其完成相应的工作。1.1.4 本文研究方向随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。所以本文主要以智能家居系统为研究方向。1.2 智能家居的研究意义和现状近年来计算机、通信技术和自动控制技术的发展，己经大大地改变了人们的工作方式，极大地提高了企业的生产效率，为社会创造了巨大的财富。然而相比之下，带给个人和家庭生活的好处却比较有限。1.2.1 智能家居的

15、研究意义传统的居家方式并没有因信息时代的到来而产生多大变化家电产品种类越来越多，以致于分散控制给人们带来了极大的不便，所以家庭几乎成为信息时代的孤岛在这样的背景下，人们就开始关注居住的环境，注重我们家居环境的健康、安全、便捷和舒适，例如如何有效地在我们居住环境中组建家庭的信息网络，如何将各种家电产品结合成一个有机整体，并通过相关设备对家中的电器或者其他设备进行异地操控与管理，并且还要能够与外界进行信息交流，更好地为人们提供我们居住环境内的各类信息。目标是为了开发一个网络化、智能化、数字化的新型住宅。从而引发了一个极具有吸引力的市场：智能家居系统。1.2.2 智能家居研究的现状在国外，智能家居己

16、经获得长足发展，自世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康涅迪格州出现后，美国、澳大利亚、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家居的设计方案。如今，美国有近4万户家庭安装了这类系统，在新加坡有近50个社区的近8000户家庭采用了这种智能化家居系统。美国智能家居行业公司PARKS的统计资料显示：1998年，美国家庭要安装一个家庭自动化系统设备所需的平均费用在7000到9000美元之间，价格虽然有点昂贵，但是目前的费用已经太大降低。预计在今后的几年内，家庭自动化市场的年平均增长率为8%。在国内智能家居系统尽管起步比较晚，但是有一种风靡之势。目前建设部已经批准9个普及型网络社区，

17、而北京市已经计划建设30个网络社区总户数将达3万户，按照建设部的初步计划，到2012年，大中城市中60的住宅要实现家居智能化。2001年是各个公司和科研机构从规划到实际研发的最为关键的一年。就像以往类似的产品(如彩电、VCD及DVD)在我国的发展过程一样。起初有些机构和公司开始先引进一些国外的系统和产品，配置在一些豪华的公寓和住宅中，但由于没有智能家庭所需的接口标准，可选配的智能家用设备也就比较少，同时也就限制了智能家庭网络的发展。直到2002-2003年有相当一部分中高档的住宅小区和私人住宅，在控制和管理上实现一般意义上的智能化，宽带网将进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善提供

18、一定的条件。国内一些公司的网络产品将逐渐进入市场，一些国外的系统和产品也将在这一年开始以较大的规模进入中国市场，开始在市场上与中国的产品接触。我国关于智能家庭网络系统的各种标准也将陆续出台，各种具有一定智能的终端产品，例如智能家电或者其他设备，也将根据这些标准陆续研发出来，并逐步进入市场。换句话说：智能家庭网络的市场将逐步形成了。到2003-2004年，是智能家庭网络系统在中国予以推广应用的两年，我国自行研制的系统已经较为成熟，并有能力与国外的系统和产品相抗衡。新建的住宅和小区大部分将配备一定的智能化设施和设备。国内对于ZigBee技术和智能家居系统的研究主要集中在高校和研究院所，如中科院计算

19、所的宁波分所就在专门从事这方面技术的研究。 在国内的一些大学，如浙江大学，上东大学等也在进行ZigBee组网也应用的研究，利用国外厂商的开发平台和芯片建立ZigBee网络，并应用于只能家居，无线抄表，物流管理，环境监测方面。随着我国对无线技术研究的深入，我相信将会有更多的国产ZigBee产品投入市场。1.3 几种常用的短距离无线通信技术如今，存在有很多种短距离无线通信技术，在此我将这些相关技术进行简要地介绍并作出比较，目的在于更好地了解它们各自的技术领域和应用领域。1.3.1 几种常用的短距离无线通信技术几种常见的短距离无线通信技术：蓝牙技术、超宽带（UWB：Ultra-Wide Band）无

20、线技术、Wi-Fi(IEEE 802.11 Wireless Fidelity) 、IrDA（Infrared）红外技术、ZigBee（IEEE 802.15.4）等技术。蓝牙技术：是使用2.4GHz的ISM公用频道的一种低成本、短距离的无线接入技术，主要应用于近距离的数据和语言传输业务。它是一种支持设备短距离通信的无线电技术。他能够在包括移动电话、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信设备之间的通信，也能够成功地简化与因特网之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效。超宽带（UWB）：是一个新兴的高速短距离通信技术，根据2002年2

21、月14日美国FFC（Federal Communication Commission，联邦通信委员会）从信号带宽的角度给出了UWB信号的确切定义：UWB信号是指“10dB功率点处的相对带宽大于25或射频的绝对带宽大于1.5GHz”的信号。该技术覆盖的频谱范围为3.110.6GHz，频谱范围很宽，但是发射功率非常低，低于41dbm。在短距离（13m以下）有很大优势，最高传输速度可达1Gb/S。而传统的窄带技术在长距离、低速传输具有优势。UWB技术目前可以支持114Mb/S的传输速度，距离13m完全可以满足短距离家庭娱乐应用需求，直接传输宽带视频数码流。Wi-Fi：使用IEEE 802.11b或8

22、02.11a无线电技术提供安全、可靠、快速的无线连通的技术。Wi-Fi网络可以使用电脑来连接互联网。Wi-Fi网络在无执照的2.4和5千兆Hz的无线电频带经营，数据速率可达11Mbps(802.11b)54Mbps（802.11a），或包含以上两条频带的产品（双重频带）。Wi-Fi覆盖范围很广，可达100m，但其电波易受干扰速度较快。提供个人及公司内部人员使用局域网，用户不再使用Cable上网。由于使用电波作为传送媒介，资料也可能被截取，这也就成为用户担心的问题所在。现在Wi-Fi产品利用WED（Wired Equivalent Privacy）技术对资料进行加密，以防止被窃取或者篡改。红外技

23、术：1993年，由20多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA：Infrared DataAssociation）统一了红外通信标准，该标准就是红外（IrDA）技术，最初传输速率为4Mbps，目前其传输速率已经达到了16Mbps,采用4PPM调制解调。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线、波长0.75m和25m之间。由于波长短，对障碍物的衍射能差，通信距离通常最大不超过10m，并且通信角度不能超过30。，所以更适合应用在需要短距离无线点对点场合。目前其应用已相当成熟，其规范协议主要有：物理层规范、连接建立协议和连接管理协议等。ZigBee技术：ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，

24、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IEEE802.15.4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，ZigBee无线技术在应用时使用底层的IEEE 802.15.2协议标准，上层网络层、应用层和高层应用层使用的是ZigBee协议。在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Aliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。ZigBee协议依据802.15.4标准，在数千个微小的ZigBee设备间相互协调实现通信。这些设备只需要很少的能量，以接力的方式

25、通过无线电波将数据从一个设备传到另一个设备，所以它们的通信效率非常高。IEEE 802.15.4规范是一种经济、高效、数据低速率（250kbps）、工作在2.4GHz（全球，中国只能用这个）、868 MHz（欧洲）和915MHz（北美）的无线技术，它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee技术具有以下的特点：低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全、数据传输速率低等。表1-1从系统开销、电池寿命、网络节点数量和物理范围等几个方面对上述几种短距离的无线通信方式进行了综合性的比较。表1-1 五种无线通信方式的比较蓝牙Wi-FiUWBIrDAZigBee系统开销较大大小小小电池寿命

26、较短短短长最长网络节点7301002255/65536物理范围10米100米10米定向1米10-100米传输速率1Mbps11Mbps500Mbps16Mbps20-250Kbps传输介质2.4GHz射频2.4GHz射频3-10GHz射频980nm红外光2.4GHz射频1.4 ZigBee技术的特点经上表的对比，我们不难看出ZigBee技术在家庭网络中据有其他短距离通信技术无可比拟的应用优势。Zigbee主要优点如下：（1）可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时产生的冲突和竞争。MAC层可以完全采用确认的数据传输机制，也就是说，每个将要发送的数据

27、包都必须等待接受方的确认信息；（2）省电：由于收发信息功耗低、工作周期短、并且采用了休眠模式，zigbee技术可以确保使用两节五号电池支持，一个节点工作时长可达6个月甚至2年之久，当然不同的应用功耗是不同的，应看具体的设计；（3）成本低：模块的初始成本估计在1.5到2.5美元之间；（4）安全：zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性；（5）时延短：针对时延敏感的应用做了相应的优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常的短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延值为15ms；（6）网络容量大：一

28、个zigbee网络可以最多容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时最多存在100个zigbee网络。鉴于以上比较，ZigBee这个新技术的确有很大的优势，所以设计中的家庭网络采用ZigBee技术。1.5 本文工作本文从分析IEEE802.15.4和ZigBee协议入手，了解通信系统和嵌入式系统的一般开发原则，选择合适的软硬件平台。采用Freescale公司一站式解决方案，采用MC13192作为RF射频模块，MC9S08GT60作为微控制器（MCU），设计出一个基于ZigBee的无线数传终端模块。31第二章 总体设计在对几种短距离无线技术介绍后以后，我们选择了适当的芯片，接下来将要具体

29、设计其硬件连接电路。2.1 嵌入式系统设计指导原则在进行任何系统的开发之前，必须了解该类系统的一般特性，了解并掌握开发所必须遵循的一般原则。2.1.1 嵌入式系统的概念一般认为，嵌入式系统是相对于通用计算机系统而言的，IEEE对嵌入式系统也有了相应的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（Devices used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plants）。而在国内普遍认同的嵌入式系统定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以进行适当裁减，以适应应用系统对功能

30、、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。2.1.2 嵌入式系统的开发流程由于嵌入式系统运行在特定的目标环境中，而且该目标环境又面向特定的应用领域，功能也比较专一，所以就需要软硬件协同设计。该方法要求在设计时从系统功能的实现考虑，把实现时的软硬件同时考虑进去，既可最大限度地利用有限资源，缩短开发的周期，又能取得更好的设计效果。2.2 Zigbee网络总体设计方案设计一个基于zigbee的智能家居网络（一个星型网络），由一个网络协调者和若干个网络终端节点设备构成。网络协调者负责网络的管理工作，而终端节点设备一方面采集模拟数据，同时把这些模拟数据通过无线网络发送给协调者。由于本方案的设

31、计重点在软件设计，因此并没有着重考虑设备的功耗和成本，因此在硬件平台选型时，可能并非是成本最低的方案，而是为了软件调试的方便，选择了功能相对较强的处理器。软件平台的选择同样有此因素，在选择时考虑了调试和编程的方便忽略了额外开销的成本。由于本设计需要，只设计一个终端模块。2.3 硬件平台在总体方案确定下来以后，就要开始对硬件平台进行选型。选择一个功能和成本都比较合适的硬件，是进行具体开发的第一步。2.3.1 选型原则硬件平台选型主要是处理器的选择，最终的选择必须满足以下的测试：（1）是否便于实现（2）是否能提供足够的性能（3）是否有合适的操作系统支持（4）是否有大量合适的开发工具支持除了上述通用

32、的选型标准外，针对于Zigbee网络的特点，还必须有功耗、成本和芯片封装的限制。Freescale公司是Zigbee联盟的重要成员和Zigbee技术的市场推广者，为Zigbee提供“一站式”的解决方案，包括完全符合IEEE802.15.4规范的射频芯片MC13192/3，以及针对该市场推出的超低功耗控制器系列，包括8位的MC9S08GX系列。本设计选取MC9S08GT60和MC13192来实现无线数据传输。由于zigbee具有广阔的应用前景，世界各大半导体生产厂商纷纷推出了支持IEEE802.15.4标准的无线收发芯片，比较典型的有飞思卡尔公司的MC13191/13192/13211/1322

33、2/13223/13224，ChipCon公司的CC2420,CC2430，Atmel公司的AT86RF210/230等，这些芯片集成了zigbee物理层的功能，并且所需外围元件少，所以使用起来比较方便。因为之前我们选择了飞思卡尔公司的MCU，所以在这里我就选择了MC13192作为本设计中的射频模块。下面介绍MCU和射频模块。2.3.2 微处理器MC9S08GT60简介家庭节点一般为半功能设备，由电池供电，为延长更换电池的时间，我们选用低功耗处理器，MC9S08GT60是Freescale公司推出的超低功耗系列MC9S08GX中的一款。其主要特性如下：（1）CPU：HCS08核，最高总线频率可

34、达40MHz；增加了16位指令，能灵活方便地访问16位HX寄存器。同时支持1个WAIT和3个STOP模式，对低功耗模式提供全面的支持。（2）模数转换模块：8/10位的采样精度；2MHz的采样频率，可满足一般传感器输入输出要求。（3）存储器：最精简的ZigBee协议栈大约为8K字节，最完整的ZigBee协议大约为32K字节左右，MC9S08GT60有FLASH 60K完全够用。（4）背景调试模块：能利用单线对HCS08核的系列MCU进行方便地写入和调试，加快开发的速度并大大降低了调试的难度。（5）Condewarrior集成开发环境：界面友好的IDE，对08核提供完善的C语言支持。2.3.3 M

35、C13192简介MC13192是飞思卡尔公司推出的一种短距离、低功耗，工作于2.4GHz频段的无线射频调制解调器。它含有完全符合IEEE802.15.4标准的物理模块，可用于star、P2P和mesh网络。配上一款合适的MCU可提一种性价比极高的短距离数据传输解决方案。MC13192与MCU的接口比较简单，只需要一个IRQ中断请求线，四线的SPI和三个控制线。SPI用于MC13192和MCU进行双向的数据通信，MCU对MC13192的配置和控制命令也通过SPI进行。MC1392发生的事件通过IRQ管脚通知MCU，并由MCU作出相应的仲裁处理。MC13192的基本性能如下：（1）16个通信信道（

36、2）输出功率：额定输出为0dB，也可以通过编程提高到最大输出4 dB。（3）三种省电模式： Off模式：电流小于1uA； Hibernate模式：电流约为1uA； Doze模式：电流约为35uA（无时钟输出）；（4）片上RAM缓存：为使用价格低廉MCU的简单应用提供数据包收发的缓存功能；（5）可编程时钟频率输出供给MCU；（6）四个内部定时器：可削减MCU的资源需求。2.4 节点具体设计Zigbee平台的控制电路硬件设计逻辑比较简单，但是射频电路的设计比较复杂，尤其是想达到或超过标准的性能时，需要丰富的射频电路设计经验。本章给出Zigbee网络实现的硬件设计方案，即网络终端节点的具体硬件设计。

37、本设计采用的MCU是MC9S08GT60，射频芯片是MC13192，外围设备是2个串口。图2-1为节点硬件示意图它主要由射频模块、微处理器和天线组成。图2-1 硬件示意图2.4.1 CPU支撑电路MC9S08GT60的支撑电路包括晶振和复位电路。晶振电路由一个4Mhz的晶振和两个22pf的电容，以及一个10M的电阻组成，具体电路连接如图2-2所示。复位电路比较简单，只需要把RESET管脚用一个10K的电阻上拉到Vcc就可以了。图2-2 GT60晶振电路2.4.2 电源电路微处理器MC9S08GT60的工作电源电压范围在2.5V3.8V，一般给其供应3.3V左右的直流电压即可。电路比较简单，输入

38、电源的电压宽度为46V，通过一个3.3V的直流线性稳压器LT1085-3.3，然后辅助1个10uF电解电容和1个0.1uF的磁片电容滤去杂波就可以。由于模拟电路和数字电路会相互干扰，为了系统的稳定，可以把模拟电路和数字电路通过电感或磁珠隔离。2.4.3 串口通信电路因为MC9SO8GT60支持了2个串口，每个串口需要2根线：TX和RX，分别进行发送和接收数据。由于串口可能接到电脑的串口外设，因此就会产生电平不匹配的现象，因此需要通过一个电平转换的集成电路，本设计就选了MAXIM公司的MAX3232，具体线路逻辑示意图见图2-3。图2-3 串口电路连接图2.4.4 GT60与MC13192接口电

39、路MC9S08GT6O通过4线SPI接口对MC13192的内部寄存器进行读写操作，从而完成 MC13192的控制和数据通信。GT60和MC13192的接口电路有8根线：4线的SPI接口用于相互通信，3根控制线和一根中断线。SPI通信时，MC13192只能作为从机，因此对于MCU而言，MOSI线是发送数据线而MISO线是接收数据线，SPI的同步时钟由GT60在SPSCK管脚上给出，连接到MC13192的SPICLK上。ATTN引脚的作用是MCU将MC13192从低功耗模式下唤醒，而RXTXEN管脚则用来使MC13192工作，也就是起使能的作用。MC13192上产生的所有中断事件，都通过芯片上的I

40、RQ管脚连接到GT60的IRQ管脚上，当GT60接收到来自MC13192的外部中断时，此时需要查询其中断标志寄存器，来判断产生中断事件，并做出相应的处理。在通常情况，为了实现低功耗的功能，射频芯片的收发器一般都是处于关闭状态的，只有在发送和接收数据的时候才被唤醒，使其处于工作状态，这样就可以大大的降低射频芯片的功耗，实现低功耗的要求。当射频芯片工作异常的时候，MCU也可以通过RST管脚来使复位射频芯片。这3根控制线都由GT60的GPIO口来进行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必须用10K欧的电阻上拉，起作用是防止毛刺来干扰MC13192的正常工作。图2-4为线路连接的逻辑示意图。图2-4

41、GT60与MC13192硬件连接电路MC13192引脚说明：MOSI主出从入，表示输入SPI数据；MISO主入从出，表示输出SPI数据；IRQ低电平有效，产生中断请求；ATTN低电平有效，使射频模块从休眠模式向空闲模式转换；RXTXEN高电平有效，当该引脚从低到高切换时，按照编者对SPI的设置，决定具体进行发送还是接收数据。在SPI发送或者接收数据期间，该引脚保持高电平，传输数据结束，将该引脚切换为低电平。当其保持低电平时，强制射频模块进入空闲模式；片选端CE由主机MCU驱动片选端低电平有效信号启动SPI接口的一次数据传输。每次数据传输最少使用三次SPICLK的脉冲组，或者更多。SPICLK主

42、机给MC13192提供SPICLK信号。在SPICLK信号的上升沿，数据输入主机或者输入从机，在SPICLK信号的下降沿，改变数据输出状态。RST低电平复位有效的引脚，当其保持低电平，射频模块处于待机模式，并且芯片内的RAM和SPI寄存器等内部数据丢失，射频模块进入空闲模式，SPI处于缺省状态。2.5 射频电路射频电路的设计是整个硬件设计最复杂、最耗时的部分。由于许多电容电感的参数跟PCB板的制作材料、厚度有密切关系，其实际值一般都是经验参数，需要动态的调整其大小，来满足性能的要求。在此电路中，射频芯片MC13192上有两组引脚，分别是接收引脚1（RFIN-）和引脚2（RFIN+）。发送引脚P

43、AO+和PAO-，设计时应考虑到以下几点：（1）为减少电磁干扰，差分信号线间距设为19mil左右；（2）差分信号线的阻抗匹配选为100欧姆；2.5.1 MC13192支撑电路MC13192的支撑电路包括电源电路，滤波电路和晶振电路，其逻辑连接如图2-5。VBATT和VDDINT是电源输入引脚，MC13192的正常工作电压为2.0-3.6V，若在在PCB上则必须接一个4.7uF的电容，起稳压作用。VDDA，VDDLO1和VDDLO2为经过整流的模拟电压，须旁接一个100pF的滤波电容。VDD为经过内部整流的数字电压，旁接一个200pF的滤波电容。VDDVCO为VCO电路供电，同样须旁路一个220

44、pF的电容。XTAL1和XTAL2外接16MHz的专用于2.4GHz射频电路的晶振，其旁路电容为10pF。图2-5 MC13192的支撑电路2.5.2 天线电路用于2.4GHz射频电路的天线有3种类型：外接直立天线、片式天线和PCB天线。在这三个里面，外接直立天线的性能说最好的，但是体积过大，只能用于对体积无要求的场合；片式天线采用集成电路来实现，其性能一般，而且很难根据实际来调整本身的性能；相比较而言，PCB天线具有体积优势，有利就有弊，一般而言，它对设计和PCB布线要求说比较高的，在无线传感器网络的硬件平台上应用尤为较多。图2-6就是天线电路的原理图。RFIN-和RFIN+为接收通道，2个

45、18pF的电容的作用是为了过滤掉高频干扰信号，而0.5pF的电容则是为了防止共扼干扰。PAO-和PAO+为发送通道，这两个管脚和VDDA连在一起，给发送通道提供必要的能量。图2-6 天线逻辑电路2.6 本章小结本章在系统总体实现方案的基础上，主要讨论智能家居系统的硬件设计部分。介绍了ZigBee芯片MC13192和MC9S08GT60的硬件结构和应用电路。具体介绍了他们的硬件连接电路以及MC13192射频模块的详细设计。第三章 软件的设计本设计选用Metrowerks公司的codewarrior作为开发环境，采用串口通信模式，利用中断的方法来完成数据的双向通信。为了节能，节点一般处于休眠状态，

46、当有中断请求的时候，才被激活。软件设计是本设计的核心，关键在于软件的总体架构和数据结构的设计。两个着重要考虑的因素一个是效率，另一个是设计的清晰性。本章从这两点着手，介绍软件设计的具体实现。3.1 开发环境开发平台提供给用户的开发环境是一套CodeWarrior软件，它可以为飞思卡尔HCS08系列单片机提供高效率、更便捷的开发环境。CodeWarrior有以下特点：1、支持飞思卡尔MCU芯片的汇编、连接和源程序调试；2、高级的项目管理功能；3、提供芯片一级仿真和FLASH编程功能；4、对C/C+最优化编译；5、数据显示和代码加密；6、进行实时的全真代码在线仿真。图3-1是codewarrior

47、的工作界面，由于codewarrior只是作为软件开发工具使用，因此本文不对其具体的应用描述。具体可以参考codewarrior应用教程。图3-1 Codewarrior工作界面3.2 硬件驱动程序设计硬件驱动程序位于系统层，其他程序对硬件的使用都是通过对硬件驱动程序的调用来实现的。3.2.1 驱动程序总体概要硬件的控制都是通过对其寄存器的读写操作来实现的，在本方案选用的MCU而言，寄存器的访问是基于内存映射模式的，因此可以设计两个函数HwRead（）和HwWrite（），提供统一的寄存器访问接口，其函数原型如下：UINT8 HwRead（UINT16 RegAddress）； /*for M

48、C9S08GT60*/VOID HwWrite（UINT16 RegAddress,UINT8 Value）； /*for MC9S08GT60*/硬件驱动程序都设计成直接函数调用接口，按各硬件模块进行分类，封装在单独的C语言源文件中，具体见表3-1。表3-1 硬件驱动文件名描述Hwdadc.c模数转换驱动Hwdflash.cFlash读写驱动Hwgpio.c通用IO驱动Hwdinit.c硬件初始化Hwdrf.cMC13192射频模块驱动Hwduart.c串口驱动因为MCU和MC13192的通信是基于SPI模块的，而且为了通信的效率，MC13192在原始的SPI通信之上又定义了一层SPI协议，

49、所以在下文就详细介绍此SPI协议和MC13192的驱动。3.2.2 SPI驱动MCU控制MC13192的所有行为以及数据的接收和发送都是通过MC13192的4线SPI模块完成的。SPI模块被设置成静态的模式，因而在访问内部寄存器的时候，除了SPICLK之外，无需其他的时钟信号。这就使得MC13192在SPI工作而其他模块失电的时候，其功耗可以达到很低。MCU与MC13192之间的协调工作实际上是通过访问SPI寄存器实现的，所有的SPI寄存器都被设置为16位的数据宽度。MCU访问MC13192的SPI寄存器有两种方式，一种是简单的字节读写模式，一种是包模式，称之为巡回读/写模式。图3-2 读字节

50、访问时序对于简单的字节读写模式，数据格式为8位的头信息加上2个8位的数据信息。头信息指定访问类型和要访问的寄存器地址，数据信息则为要读或写的实际数据。读字节操作的时序如图3-2所示，写字节操作时序如图3-3所示，数据格式如图3-4所示。SPI的数据交换被分成两个部分，一部分为头信息，头信息部分固定为8位，另一部图3-3 写字节访问程序分为2字节的整数倍的有效数据域。对于简单的读写模式，一次SPI的数据交换有24位的数据信息。头信息中包含1位的读写标志位（R/W）和6位的寄存器地址信息位（低6位），读写标志位的作用是为了标明操作类型为向MC13192读数据还是写数据，当R/W0时，为写操作，R/

51、W1时，为读操作。6位的地址信息位可以寻址64个SPI寄存器，同时这个地址信息可以为巡回读/写提供一个起始地址。图3-4 简单字节读写模式的数据格式MC13192除了提供简单的字节读写操作外，还提供了一种称为巡回读/写模式的操作，可以用一个头信息，而操作多个连续的SPI寄存器，此时，头信息中的地址信息为待访问的连续寄存器块的起始地址。这种读写方式一般用在以下场合中：MCU快速配置MC13192；方便快速的访问16位宽度以上的寄存器；用合适的方式访问片上RAM的数据。图3-5和图3-6给出了该模式下对片上RAM的读写过程。 图3-5 RAM块读流程 图3-6 RAM块写流程 3.2.3 SPI通

52、信程序微控制器GT60和射频芯片MC13192之间四线制的SPI通信程序如下：uintl6 drv read_spi l(uint8 addr) /*SPI读函数*/uintl6_w； /*wO是高字节，w1是低字节*/uint8_temp_value； /*用来暂存SPI数据寄存器的值*/temp_value=SPI1S； /*清状态寄存器*/temp_value=SPI1D； /*清接收数据寄存器*/irq_value=IRQSC； /*保存IRQSC的值*/MC13192_IRQ_SOURCE=irq_value&(0x06)； /*禁止MC13192产生中断请求*/AssertCE /

53、*使能MC13192的SPI接口*/SPI1D=addr0x3F)1 0x80； /*写人要访问的6位地址，设置读*/while(!(SPI1S_SPRF)； /*等待接收满标志SPI1S_SPRF置1*/Temp_value=SPI1 D；SPI1D=addr；while(!(SPI1S_SPRF)；(_uint8_*)&w)0=SPI1D； /*将高字节存人w0*/3.2.4 MC1392驱动MC13192的驱动主要是在hwdrf.c文件中，MC13192有48个片上寄存器，MCU通过SPI模块对这些片上寄存器进行读写，实现对MC13192的控制。MC13192的寄存器为16位，而地址为8

54、位，访问的函数原型如下：VOID SPIDrvWrite（UINT8 u8Addr,UINT16 u16Content）； /*对寄存器进行写入*/UINT16 SPIDrvRead（UINT8 u8Addr）； /*读寄存器*/表3-2 MC13192的工作模式模式晶振CLKOSPIRAM数据是否丢失输出为三态转换时间Off是25msIdleHibernate否20msIdleDoze1M否（300+1/CLKO）usIdleIdle否Receive否144usIdleTransmit否144usIdleCCA/ED否144usIdle上电复位后，MC13192进入OFF模式，经过25ms后

55、，MC13192进入IDLE模式，在此模式中，MC13192接受来自GT60的各种控制命令，并在相应的模式之间进行切换，具体切换状态见图3-7。图3-7 MC13192模式切换MC13192有多种工作模式，可分成两种类型，一类是活动模式，一类是低功耗模式，具体可分为7种模式，各种模式对硬件的要求不同，模式之间的转换条件及转换时间也不同，各模式对数据的影响也不同，具体的工作模式参见表3-2。MC13192具有中断能力，且有一根中断线可以与MCU的IRQ管脚连接，当MC13192发生中断时，通过触发MCU的IRQ中断，MCU的中断处理程序还要检查MC13192的中断状态标志，来判断实际的中断源。图

56、3-8 MC13192中断处理流程图3-8描述了实际的中断处理过程，在进行实际中断之前，必须进行软件去毛刺过程，防止产生误中断。此外，MC13192还具有中断屏蔽功能，只有那些没有被屏蔽的中断才能进行实际的中断处理。3.3 硬件初始化初始化的过程分为两个阶段：第一个阶段为MCU上电初始化，包括PLL设置、看门狗设置，堆栈初始化，C语言环境的建立；第二个阶段是前一阶段的基础上，进行操作系统的初始化，包括各种堆栈的初始化，硬件资源的初始化，建立各种任务和资源。图3-9描述了MCU的初始化的一般流程。图3-9 MCU初始化流程3.4 系统程序的设计流程图如图3-10，主程序源代码见附录。图3-10

57、系统程序流程图3.5 本章小结 本章首先介绍了相关的硬件驱动和MC13 192驱动部分。其中MC13192的硬件驱动部分介绍了它的单字节读写和巡回读写两种通信模式并在这两种通信模式基础上实现了对MC13192寄存器和片上缓冲RAM的访问。它的驱动部分主要包括它输出时钟的选择设置、运行状态的切换和产生中断的处理流程，并在运行状态的切换中介绍了MC13192运行状态和相互切换所需的条件。最后给出系统流程图。第四章 全文总结与展望智能家居网络的研究，是当今社会IT前沿技术之一，也是研究热点，在国内，虽然说是刚刚起步，但是具有广泛的应用前景，所以很值得我们投入时间和精力。一方面，我们应该去研究基础的无

58、线网络通信原理，另一方面，我们更应该把目前所研究出的成果市场化，通过具体的应用实践来检验我们的研究成果。随着研究的深入，相关技术的日益成熟，和市场化的到来，智能家居将会走进我们的每家每户。本文所作的研究知识起点中的起点，今后要进一步加强基础知识的研究，使WSM的应用更加广泛，争取为社会做一份贡献。本文研究工作的展望：（1）进一步完善基于ZigBee技术的智能家居系统，使其在功能上和性能上实现产品化，就像电视、电话等家用电器一样走进每一个家庭。（2）我们应该充分利用计算机技术、网络技术、控制技术，使家庭内每一个家用电器和设备都能通过无线设备形成独立的网络，并和因特网相连，从而从真正意义上实现家居

59、的信息化、网络化、智能化。参考文献1 中国ZigBee 联盟. ZigBee 技术探析D . 技术手册, 2004 (8) :200-203.2 刘骊,江虹,吕杨. 基于ZigBee 技术的嵌入式无线网络平台的研究J . 昆明理工大学学报: 理工版,2007 ,32 (1) :40-44.3 张维勇,冯琳. ZigBee 实现家庭组网技术的研究J .合肥工业大学学报:自然科学版,2005 ,28 (7) : 755-759.4 江虹,欧阳鑫. 嵌入式数据库在智能家居控制器中的应用J . 计算机学,2008 ,35 (8) :171-174.5 成都无线龙通讯科技有限公司. CC2430/ CC

60、2431 中文使用说明手册M . 2008.6 文伸，段朝玉等。ZigBee无线网络技术入门与实践M.北京航天航空大学出版社，2007：22-27.7 朱益运,吕杨. 基于CC2430的智能家居ZigBee无线数传设计与实现J. 云南大学学报(自然科学版),2009,(S1).8 张艳. 基于nRF401芯片的无线语音传输系统的设计J. 中国科技信息,2009,(22)：22-25.9 郭志俊. 小型泵站监控的无线数据传输系统J. 中国农村水利水电,2009,(10)：35-37.10 李金龙,王黎,高晓蓉. 多点温湿度远程无线监控系统设计J. 微计算机信息,2009,(16)：42-44.1

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