cc2530无线体重仪实习报告解析.docx
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cc2530无线体重仪实习报告解析
前言
1、1无线传感网络的研究背景：
伴随着时代的进步，人们充分认识到了科技的力量。
对科学的探索是永无止境的，人们在科学方面的探索已经达到了一个前所未有的水平。
2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感网络（WSN）被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为无线传感网络（WSN）的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
可以预测,无线传感网络（WSN）是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。
作为21世纪，最具有影响力的改变世界的10大技术之一的无线传感技术，其发展的技术日趋成熟，方向也开始多样化，在科技领域中也变得越来越重要，使得大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和无线通信。
数字家庭、无线通信、无线控制、无线定位和移动连接等词语也频频映入眼帘。
有增无减的相关信息报道足以预测这些新鲜事物必将具有强大的生命力和广阔的发展前景。
无线传感网络，它是由大量节点组成的，是面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域的技术，通过各类微型无线传感器对目标信息进行实时监测，实时采集，并且由嵌入式微处理器对所采集到的信息进行处理，并通过无线通信网络将处理后的信息传送至远程用户端，然后通过相应的规则进行各种应用分析。
无线网络传感器是一种将传感器、控制器、计算能力、通信能力完美的结合于一身的嵌入式设备。
它们跟外界的物理环境交互，实时的采集信息，并且将收集到的信息通过无线传感器网络传送给远程用户。
无线网络传感器一般是由一个低功耗的微控制器（MCU）和若干个存储器、无线电/光通信装置、传感器等组件所集成的，通过传感器、动臂机构、以及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互。
一般说来，独立的传感器功能是非常有限的，但是如果将他们大量地分布到所需要检测的物理环境中，并组成一个无线传感网络，加上性能良好的软件系统平台，就能够完成强大的状态监测、实时跟踪、环境监测等功能。
随着微机系统和高集成低功耗数字设备的发展，小体积、低成本、低功耗的传感器节点将得以实现。
低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。
这样的节点若能配合各种类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。
无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。
广泛应用于医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家装、工业自动化和大区域内的目标追踪等领域。
无线传感技术、无线传感网络已经被认定是最为重要的研究之一。
无线传感器网络节点一般采用的是电池供电，工作环境也通常是比较恶劣的，而且数量大、分布区域广，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。
因此，它迫切的需要对传统的嵌入式应用开发系统进行更新和改进，需要精心设计其软硬件系统，以使其更加的可靠耐用。
1、2无线传感网络的研究现状：
在多入多出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）等基础技术支持下，无线通信技术得到了蓬勃的发展，实现了与任何人或任何设备随时随地的进行相互联系相互通信。
蓝牙、WIMAX、Wi-Fi、无线局域网和超宽带等无线通信技术都取得了长足的发展。
无线技术作为一门蓬勃发展的新兴科学技术，随着它所需要的几种重要的基础技术的不断推广和充分的实际应用，实际检测，它的发展速度也将得到很大的提升。
无线传感模块是无线传感网络中的节点，它是组成无线传感网络的基本组成部分。
是属于无线技术中较为底层的一个分支，最早的代表性论述是出现在二十世纪九十年代末的，是一篇题为“传感器走向无线时代”的文章。
传感技术的发展经历了三个阶段：
一般传感器、智能传感器、无线传感器。
一般传感器，是最早产生的传感器，能实现的只是数据的采集；智能传感器，则是在一般传感器的基础上进行改进，使传感器具有计算处理能力，这样传感模块不但能够实现数据等信息的实时采集，还能对所采集到的数据信息进行一定程度的计算和处理，便于进行监控；无线传感器，则是在智能传感器的基础上集成无线功能的模块，使得传感器不再是单独的数据采集模块，而是使之成为一个能够实现数据实时采集、计算和处理，数据信息交换和控制的有机整体。
由于越来越多的实际应用方案中开始采用无线节点进行数据采集、处理和通信，无线传感器综合了现代网络、嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术及无线通信技术等的无线传感基础科技,成为了当前最热点的研究领域。
而整个网络可靠性的重要保障就是无线传感网络节点能够稳定的运行，因此在设计无线传感模块时，传感网络、传感技术已经是被认定了的最为重要的研究之一。
当前国内外研究领域中有许多无线传感器网络节点的硬件平台相继出现。
其中比较典型的节点有Telos、Mica系列、Imote2和IRIS等。
这些平台主要是采用了不同的处理器和无线通信模块。
Telos、Mica系列的一些节点，设计的时间较早，其性能已经落后于当前的一些工业设计中集成电路的水平。
但是Imote2节点，它具有高性能，但是功耗比较大，不能适用于能量要求严格的应用环境，由于无线传感器网络节点通常采用的是电池供电，工作环境比较恶劣，而且节点数量庞大，电池更换非常困难，因此低功耗是无线传感器网络中最重要的设计准则之一。
后来的研究成果中，如MIT所研发的模块化平台对于不同的传感器有不同的硬件设计，为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统，他们的传感器采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起来进行数据收集。
IntelMote的研究项目则注重了包括低系统级集成、功耗操作和硬件的重新配置三个方面的要求，希望能够平衡功耗与性能之间的矛盾，但要实现目标还需要一定的努力。
传感技术将会随着计算机技术、集成技术以及电子技术的高速发展，得到不断的推广和完善。
并且会有结构新、功能强、耗能低的传感器更多的用运于各种实际的无线网络当中，以良好的稳定性和高精确度服务于更加广泛的领域。
1、3无线传感网络的应用前景：
在城市中，随着经济的持续发展和产业调整，大批人口将向城市转移，城市人口将不断增加；同时，经济活动日趋频繁，商业活动将更加活跃，汽车的使用数量和使用频率也将大大提升，将会给城市的交通运输带来很大的压力，“停车难”的问题也将会成为制约我国经济发展的瓶颈。
修建新的停车场和新的交通设施虽然能够解决部分问题，但是由于其费用高昂而且建设周期也相对较长，还会受到土地使用和城市规划等很多方面的因素的制约。
所以，只有在进行硬件设施的建设当中充分的利用现代科学技术，借助国内外交通发展过程中所总结的各种经验，并能够很好的引进我国的城市停车系统，运用软、硬件相结合的方式，为城市建设节省出一大笔费用，同时也能改进停车能的问题。
无线传感技术在医疗领域的应用主要包括跟踪治疗、移动观察、远程医疗、患者数据管理、药物跟踪、手机求救、病人数据收集、医疗垃圾跟踪和短信沟通等多方面的新应用。
最近几年，无线通信技术在国内外医疗市场上得到了广泛的应用，无限医疗设备的应用迅猛增长。
一个报告指出，欧洲的无线医疗设备的销售额将从2003年的9800万美元增加到2008年的4.458亿美元，主要原因是医护人员希望改善工作流程，增加生产力和改善病人的满意程度，还有增加新的应用，如电子病历、临床疗法决定等。
通过建立完善的Zigbee网络，智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患，及早提供相关信息；根据人员分布情况自动控制中央空调，实现能源节约；及时掌握酒店客房内客人的出入信息，以便在有突发事件时能及时准确的发出通知，确保客人的人身财产安全。
在机场，持有Zigbee终端的乘客们可以随时得到导航信息，比如登机口的位置，航班的变动，甚至附近有那些商店等，能够更好的为乘客们提供方便快捷的机场服务。
在工业自动化领域内，人们可以通过Zigbee网络实现厂房内不同区域的温湿度监控；及时得到机器运转状况的信息；结合RF标签，可以方便的统计库存量，等等。
在医院，Zigbee网络可以帮助医生及时准确的收集急诊病人的相关信息和检查结果，快速准确的做出诊断；戴有Zigbee终端的患者可以得到24小时的体温、脉搏控制；配有Zigbee终端的担架可以遥控电梯门的开关……在医院，时间就是生命，Zigbee网络可以帮助医生和患者争取每一分每一秒的时间。
如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式的装有大量的Zigbee终端设备，就能够不用担心会迷路，安装在汽车里的设备将会准确的告诉我们当前所处的位置，正向何处去。
虽然全球卫星定位系统（GPS）也能提供类似的服务，但是这种新型的Zigbee分布式系统能够向我们提供更精确，更具体的信息，即使在GPS没有覆盖不到的楼内或隧道内，仍然能够继续使用该系统。
从Zigbee无线网络系统中能够得到更加精确、更加具体的数据信息，如限速、街道是单行线还是双行线、前面每条街道的交通情况或事故信息等。
使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，可以适时的赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等车。
基于Zigbee技术的系统还可以开发出许多其他的功能，例如，在不同的街道、不同的时间段、不同方向上的来车，根据交通流量来自动控制交通红绿灯的时常，以及追踪被盗汽车或超速汽车等应用。
为了推动Zigbee技术的发展，Chipcon（已被TI公司收购）公司于Ember,Freesacal,Honeywell,Mistubishi,Motorla,Philips,Samsung等公司共同成立了Zigbee联盟。
目前该联盟以及包含一百五十多家成员，该联盟主席RoberF.Haile曾于2004年11月访问中国，以免专利的方式吸引中国本地企业加入。
根据市场研究机构预测，低功耗、低成本的Zigbee技术在未来几年内将会得到快速的增长，2006年全球Zigbee器件的出货量已达到1000万个，2007年年底将近一亿个，2008年将超过1.5亿个。
其中2006年，Zigbee芯片供应方面，TI以及Ember公司位列前两位。
这一预言正从Zigbee联盟以及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。
在标准林立的短距离无线通信领域，Zigbee的快速发展可以说是另人有些始料不及的，从2004年年底标准确立，到2005年年底相关芯片及终端设备总共销售了1500亿美元，比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi-Fi产品进展都要快。
Zigbee技术在Zigbee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。
它不仅在工业，农业，军事，环境，医疗等传统领域具有巨大的应用价值，未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动所有领域。
由于各方面的制约，Zigbee技术的大规模的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日趋成熟和发展推进，一定会得到更广泛的应用。
但是，我们还应该清楚的认识到，基于Zigbee技术的无线网络才刚刚开始发展，他的技术，应用都谈不上很成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入人才力度，推动整个行业的发展。
一、实习目的
实习是电子信息工程专业十分重要的实践性教学环节，是培养学生实际动手能力和分析问题解决问题能力、理论与实践相结合的基本训练，同时也是学生毕业设计选题及设计工作原始资料的来源，为学生进行毕业设计打下扎实基础。
认真抓好实习的教学工作，提高生产实习教学质量，是提高学生业务素质和思想素质的重要环节。
1、训练学生从事专业技术工作所必须的各种基本技能和实践动手能力。
2、让学生了解本专业需要掌握的硬件软件知识、工艺过程及工艺技术方法。
3、培养学生理论联系实际、从实际出发分析问题、研究问题和解决问题的能力，将学生所学知识系统化。
4、培养学生热爱劳动、不怕苦、不怕累的工作作风。
二、实习时间
本次实习时间为2014年10月27日到2014年11月21日
三、实习地点
崇实楼803
四、实习内容
基于cc2530芯片的人体电子秤。
采用高精度电阻应变式压力传感器，通过电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片HX711对传感器信号进行调理转换，使用CC2530芯片作为主控芯片，实现称重等主控功能。
（一）基于cc2530芯片的无线体重仪方案如图一所示
基于物联网的人体电子秤实训项目框图
1、信号采样单元
信号采样单元基于电子体重秤的电阻应变半桥式传感器组成的。
传感器是测量机构最重要的部件。
电阻应变半桥式传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。
（1）灵敏度
称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。
当使用2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV。
通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。
因此满度输出电压应当大约为6mV。
当电子秤应用于工业环境时，在6mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。
（2）总误差
总误差是指输出误差和额定误差的比值。
典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。
（3）漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。
下图为本次实习所采用的应变式传感器原理图
测量时,外侧边正确施加外力，E字形传感器的应变梁部分（即中间贴应变片的,有白色覆胶的梁臂）和外侧边要形成一个方向相反的剪切力,即中间的应变梁在受力下必需可以发生弯曲变化,应变梁受力面另一侧不可有阻挡物。
本传感器内部是一组半桥应变片,使用方法可以有以下三种:
1、使用一只传感器配合外接电阻组成全桥测量,量程为一个传感器的量程：
50kg。
对外接电阻要求较高。
2、使用二只传感器组成全桥测量,量程为两只传感器的量程之和：
50kgx2=100kg
3、使用四只传感器组成全桥测量,量程为四只传感器的量程之和：
50kgx4=200kg
由4个电阻半桥应变式传感器组成的全桥也就是惠更斯电桥从而构成了人体电子秤传感器部分
2、信号调理单元
信号调理单元是由24位AD转换芯片HX711及其电路构成。
HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。
与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。
输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。
通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。
通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。
芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。
芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
HX711内部方框图如图4所示。
其外部管脚如图5所示。
图4HX711内部方框图
图5为HX711电子体重秤应用的一个参考电路图。
该方案使用内部时钟振荡器（XI=0），10Hz的输出数据速率（RATE=0）。
电源（2.7～5.5V）直接取用与MCU芯片相同的供电电源。
通道A与传感器相连，通道B通过片外分压电阻与电池相连，用于检测电池电压。
图5HX711外部管脚图
图6HX711电子体重秤应用参考电路图
本课题设计的电路如图7所示：
图7HX711信号调理单元
3、Zigbee数据处理与发射、接收单元
Zigbee数据处理与发射和Zigbee数据处理与接收单元是由CC2530芯片作为主控芯片构成的。
CC2530是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。
它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。
CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。
CC2530有四种不同的闪存版本：
CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。
管脚图如图8所示
CC2530主要特点：
—高达256kB的闪存和20kB的擦除周期，以支持无线更新和大型应用程序
—8kBRAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用
—可编程输出功率达+4dBm
—在掉电模式下，只有睡眠定时器运行时，仅有不到1uA的电流损耗
—具有强大的地址识别和数据包处理引擎
功能：
●支持Zigbee/ZigbeePRO,ZigbeeRF4CE,6LoWPAN,WirelessHART及其他所有基于802.15.4标准的解决方案；
●卓越的接收机灵敏度和可编程输出功率；
●在接收、发射和多种低功耗的模式下具有极低的电流消耗，能保证较长的电池使用时间；
●一流的选择和阻断性能（50-dBACR）
应用：
●智能能源/自动化仪表读取
●远程控制
●居家及楼宇自动化
●消费类电子产品
●工业控制及监测
●低功耗无线传感器网络
参数特性：
可最大化通信范围的101dBm链路预算（101dBmlinkbudget）
可最小化干扰源影响的业界一流的选择性（Bestinclassselectivity）
可最大化电池供电器件使用寿命的灵活低功耗模式（Flexiblelow-powermodes）
功能强大的5通道DMA引擎（Powerful5-channelDMAengine）
用于远程控制应用的IR生成电路（IRgenerationcircuitry）
高达256K的闪存（Upto256kFlash）
4、基于PC机的控制与显示单元
此单元通过接收模块中CC2530芯片的串口与PC机进行通信，实现对电子体重仪的数据显示与控制。
（二）基于CC2530的Zigbee协议栈
1、ZIGBEE物联网技术概述
Zigbee技术的使用与发展很大程度上弥补了无线通信市场上低功耗、低成本、低速率的空缺。
同时随着Zigbee技术的深入发展和应用，越来越多的注意力和研究力量将会转到应用的设计、实现互联互通测试和市场的推广等方面。
Zigbee技术的关键点是发展一种易布建、低成本、低功耗的无线网络。
Zigbee技术的应用前景非常好。
Zigbee在未来的几年里将在工业无线定位、工业控制、消费电子、汽车自动化、家庭网络、楼宇自动化、医用设备控制等多个控制领域具有广泛的应用，特别是工业控制和家庭自动化，将会成为今后Zigbee芯片的主要应用领域。
通常符合以下条件之一的应用，都可以考虑采用Zigbee技术：
（1）网点多：
需要数据采集或监控的网点多。
（2）低传输量：
要求传输的数据量不大且要求数据成本低。
（3）可靠性高：
要求数据传输可靠性、全性高。
（4）体积小：
设备体积很小，体积较大的充电电池或者电源模块不便放置。
（5）电池供电。
（6）覆盖量大：
所需检测点监测点多，地形复杂，需要较大的网络覆盖面积。
（7）现有移动网络的覆盖盲区。
（8）遥测、遥控系统：
使用现存移动网络进行的低数据量传输。
（9）局部区域移动目标的定位系统：
使用GPS效果差、成本高的。
Zigbee无线传感网络是基于IEEE802.15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络，该网络主要应用在压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、温度湿度监控、楼宇自动化、工业控制、数据中心、社区安防、设备监控、环境数据监控、制冷监控、仓库货物监控等方面。
适用于蔬菜大棚温度、湿度和土壤酸碱度监控，钢铁冶炼温度控制，煤气抄表等各个领域。
这种网络主要用于无线系统中短距离的连接，提供传感器网络接入，能够满足各种传感器的数据输出和输入控制的命令和信息的需求，实现系统网络化、无线化。
Zigbee技术是一种应用于各种电子设备之间的无线通信技术，这种通信组网是基于中短距离范围内、低传输速率下的。
根据Zigbee技术的本质，它具有下列特性：
低功耗、高度扩展性、可靠性高等。
2、ZIGBEE协议栈
Zigbee协议栈由一组子层组成，每一层为其上层提供一定的特定服务：
一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供管理、维护等服务。
每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个服务接入点（SAP）提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。
Zigbee协议栈中包括应以下各个子层：
（1）APP（ApplicationProgramming）：
应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域，在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容，在协议栈里面一般是以操作系统的任务实现的。
（2）HAL（Hardware（H/W）AbstractionLayer）：
硬件层目录，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。
ZigBee硬件层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层以硬件层无线信道的接口。
在硬件层中，包含一个硬件层管理实体（PLME），该实体通过调用硬件层的管理功能函数，为硬件层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由硬件层所管理的目标数据库，该数据库包含有硬件层个域网络的基本信息。
（3）MAC：
介质接入控制子层，包含了MAC层的参数配置文件及其MAC的LIB库的函数接口文件。
实现的功能有：
1、能产生网络信标。
2、支持PAN的连接和断开连接。
3、同信标保持同步。
4、在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。
5、处理和维护GTS机制。
6、信道接入采用CSMA-CA接入机制。
7、支持设备的安全性。
介质访问控制层（MAC）帧被称为MAC协议数据单元（MPDU），其长度不超过127个字节。
它具有四种不同的帧形式，即信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。
（4）MT（MonitorTest）：
实现通过串口可控各层，与各层进行直接交互。
（5）NWK（ZigBeeNetworkLayer）：
网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS层库的函数接口。
（6）OSAL（OperatingSystem（OS）AbstractionLayer）：
协议栈的操作系统。
（7）Profile：
AF（Applicationwork）层目录，包含AF层处理函数文件。
（8）Security：
安全层目录，安全层处理函数，比如加密函数等。
（9）Services：
地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。
（10）0Tools：
工程配置目录，包括空间划分及ZStack相关配置信息。
（11）ZDO（ZigBeeDeviceObjects）：
ZDO目录。
（12）ZMac：
MAC层目录，包括MAC层参数配置及MAC层LIB库函数回调处理函数。
（13）ZMain：
主函数目录，包括入口函数及硬件配置文件。
（14）Output：
输出文件目录，这个EW8051IDE自动生成的
（三）实物图
MAX232模块与HX71124位AD转换模块
无线电子体重秤实物图
五、实习总结
在本次嵌入式系统开发技术课程设计中，主要目的是设计一个基于CC2530的无线电子体重仪。
该系统是一个采用CC2530无线单片机和HX71124AD数据处理芯片进行数据采集，并且结合Zigbee协议架构进行编程的设计，并在IAR集成环境开发环境中进行基于Zigbee架构的编程，节点模块的调试，最后，实现无线传感网络的构建。
值得一说的是在这为期四周的嵌入式系统开发技术课程设计中我们收
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