CC2530课程设计-广东海洋大学.doc

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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

高耿辉

指导教师

冯青

职称

讲师

时间

2012年12月

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。

二、系统总体结构

智能家居系统可以划分为外部网、网关和内部网三个部分，而本文着重研究和设计智能家居系统的内部通信网络系统及其应用。

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。

路由节点的主要功能是实现多跳路由。

终端节点实现信息的采集和电灯或家电设备的节能与智能控制；遥控节点作为终端节点的一种，遥控控制电灯或家电的各种开关。

PC通过串口与协调器相连以实现上位机控制。

系统框图如图1所示。

三、硬件设计

硬件部分采用模块化设计的方法，分为CC2530核心板和扩展板。

CC2530核心板设计为一可与不同扩展板结合的模块，包括CC2530芯片和其外围电路，此模块将CC2530的主要I/O口引出与扩展板结合。

根据不同的功能，扩展版分为协调器节点、路由节点和终端节点三种扩展板。

1、CC2530芯片

CC2530片内结构方框图

CC2530是基于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一个片上系统解决方案。

其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。

CC2530芯片结合了RF收发器，增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他模块的强大的功能。

如今CC2530主要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。

其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。

同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。

2、CC2530引脚描述

引脚名称 引脚 引脚类型 描述

AVDD1 28 电源（模拟） 2-3.6V模拟电源连接，为模拟电路供电

AVDD2 27 电源（模拟） 2-3.6V模拟电源连接，为模拟电路供电

AVDD3 24 电源（模拟） 2-3.6V模拟电源连接

AVDD4 29 电源（模拟） 2-3.6V模拟电源连接

AVDD5 21 电源（模拟） 2-3.6V模拟电源连接

AVDD6 31 电源（模拟） 2-3.6V模拟电源连接

DCOUPL 40 电源（数字） 1.8数字电源去耦。

不使用外部电路供应

DVDD1 39 电源（数字） 2-3.6V数字电源连接，为引脚供电

DVDD2 10 电源（数字） 2-3.6V数字电源连接，为引脚供电

GND - 接地 接地面

GND 1，2，3，4 未使用引脚 连接到GND

P2_3 33 数字I/O 端口2.3/32.768kHzXOSC

P2_4 32 数字I/O 端口2.4/32.768kHzXOSC

RBIAS 30 模拟I/O 参考电流的外部精密偏置电阻

RESET_N 20 数字输入 复位，活动到低电平

RF_N 26 RFI/O RX期间负RF输入信号到LNA

RF_P 25 RFI/O RX期间正RF输入信号到LNA

XOSC_Q1 22 模拟I/O 32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入

XOSC_Q2 23 模拟I/O 32-MHz晶振引脚2

P0，P1，P2 P0，P1全部P2_0~P2_2 数字I/O对应引脚号

3、CC2530芯片内部结构

CC2530需要极少的外部连接元件，同时有很多典型电路，其模块大致可以分为三类：

1、CPU和内存相关模块

2、外设，时钟和电源管理相关模块

3、无线信号收发相关模块

4、CPU和内存

CC2530使用的8051CPU是一个单周期的兼容内核，它有三种不同的访问总线。

其中包括中断控制器，内存仲裁器，8KBSRAM，32/64/128/256KB闪存块。

中断控制器：

其为18个中断源提供服务，它们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。

内存仲裁器：

位于系统中心，它负责执行仲裁，即决定同时访问系统物理存储器时的顺序，便于系统效率的提高。

8KBSRAM：

为超低功耗的SRAM，使数字部分即使掉电也能保存其中内容，是芯片低功耗原因所在。

闪存块：

用于保存电脑传输进入的程序代码以及常量数据，节约了搜寻时间。

5、CC2530外设

1、强大的5通道DMA

2、IEEE802.15.4MAC定时器，通用定时器（一个16位定时器，一个8位定时器）

3、IR发生电路（IR中断）

4、具有捕获功能的32-kHz睡眠定时器

5、硬件支持CSMA/CA

6、支持精确的数字化RSSI/LQI

7、电池监视器和温度传感器

8、8路输入，12位分辨率ADC

9、AES安全协议

10、2个支持多种串行通信协议的强大的USART

11、21个通用I/O引脚

12、看门狗定时

13、两个8位定时器：

定时器3，4为8位定时器，有一个可编程为频器，一个8位的周期值，一个计数器通道。

14、MAC定时器：

专为MAC或其他协议而设的定时器，可以跟踪已过周期，同时可以记录收发某一的帧精确时间和传输结束时间，以便产生不同的选通命令到无线模块

15、ADC：

支持7到12位的分辨率，带宽范围为7-30kHz,在DC与音频转换时，能够使用8个输入通道。

AES加密/解密内核：

CC2530用128位的AES算法进行加密或解密数据，从而保证了ZigBee网络层和应用层的安全要求。

16、USART0和USART1分别被配置为一个主从或一个UART，其功能是为RX和TX提供双缓冲，以及硬件流控制。

17、调试接口：

用于内部电路调试，具有两线串形接口

18、I/O控制器：

负责所有的通用的I/O引脚

CC2530芯片以及天线部分原理图如下；

电源电路部分原理图如下；

复位以及JTAG接口部分电路原理图如下；

USB转串口部分电路原理图如下；

单片机控制家用电器开关和家用电器反馈电路原理图如下；

1、协调器电路

协调器节点由CC2530核心板和扩展板组成，框图如图2所示。

由于协调器必须一直保持激活状态，因此采用220VAC/DC稳压电源转换模块供电，并设计电源开关。

串口电路部分用于连接上位机，由串口电平转换芯片完成。

编程下载接口用于连接TI的CCDEBUGGER仿真下载器仿真与下载程序。

Led指示部分用于指示节点的工作状态。

2、路由节点电路

由于路由节点实现的功能协调器都能实现，所以路由节点的硬件电路与协调器的电路相同。

3、终端节点电路

终端节点根据不同的应用，设计不同的扩展板，主要模块框图如图3所示：

图3终端节点电路

终端节点主要分为用于采集信息和控制电灯或家电的采集控制节点和用于遥控控制的遥控节点。

由于采集控制节点将与具体的电灯或家电设备相结合，因此电源部分同样采用220VAC/DC稳压电源转换模块供电；而遥控器节点考虑其常移动性和轻便性，采用电池供电。

采集控制节点采用温度传感器DS18B20以实时监测环境温度；采用光敏传感器On9668以实时监控光照强度；采用光耦合器与接插件相连，用于控制各种开关。

遥控节点将CC2530的I/O口与外接矩阵键盘相连，以实现遥控功能。

四、软件设计

软件部分分为基于TI的Z-Stack软件构架的ZigBee节点的程序设计和上位机软件设计。

以下将分别介绍这两部分的软件设计。

1、基于ZigBee协议栈的软件设计

ZigBee节点的程序设计基于TI的ZigBee2007/Pro协议栈，编译器是IARSystem的集成开发环境IAREmbeddedWorkbench。

ZigBee节点的软件设计是以Z-Stack软件构架为基础框架的，所以必须先介绍Z-Stack的运行。

2、Z-Stack软件构架的运行

ZigBee节点的软件设计遵循包含轮转查询式操作系统osal的Z-Stack软件构架，其具体结构和流程如下所述：

Z-Stack首先执行Zmain.c中的main函数，总体来说，main函数一共实现了两个功能：

①系统初始化，即启动代码来初始化硬件系统和软件架构需要的各个模块；②开始执行操作系统实体。

（1）系统初始化。

系统初始化代码需要完成对硬件平台和软件架构所需要各个模块的初始化，为操作系统的运行做好准备工作，主要分为初始化系统时钟，检测芯片工作电压、初始化堆栈、初始化各个硬件模块、初始化FLASH存储、形成芯片MAC地址、初始化非易失量、初始化MAC层协议、初始化化应用帧层协议、初始化操作系统等十余部分。

[1]具体的初始化代码应根据硬件电路的不同而做相应的修改。

（2）操作系统的执行。

启动代码为操作系统的执行做好准备工作后，就开始执行操作系统入口程序，并由此彻底将控制权移交给操作系统。

[1]操作系统实体只有一行代码：

osal_start_system（）;//没有返回此函数是osal系统轮转查询操作的主体部分，它所做的工