Zigbee节点的液晶显示设计.docx
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Zigbee节点的液晶显示设计
ZigBee节点的液晶显示设计
摘 要
针对传统有线监控系统中布局复杂、线路过多、成本过高、维护困难等诸多问题，采用无线传感网络技术，提出了基于ZigBee的无线温度传感器设计方案。
该方案基于一个简单的数据包装协议SPP（SimplePacketProtocol），选用数字温度传感器DS18B20对温度进行采集，通过满足ZigBee规范的无线射频芯片CC2530传输采集到的温度数据，经接收芯片处理数据后用液晶屏1602显示出来。
首先从理论上研究cc2530芯片的数据收发原理及lcd1602液晶显示器的显示原理给出了无线传感器的结构，和系统硬件及软件的设计方案和具体实现，并从硬件和软件方面考虑了低功耗设计的要求，随后通过IAR编程软件对cc2530和lcd1602进行程序的编写，最后以仿真实验验证并分析了基于zigbee技术的无线通信模块可以在较低功耗下实现数据的传输和接受并将所传送的信息通过液晶显示器加以显示出来。
研究结果表明,该无线温度传感器可以实现较远距离的温度实时监测，具有结构简单、价格便宜、耗电量低、可靠性高、扩展性好、配件灵活等特点，在生产生活中有非常广泛的推广应用前景。
关键字：
无线传感网络；Zigbee协议；CC2430；DS18B20；LCD1602
TheLiquidCrystalDisplayDesignZigBeeNodes
ABSTRACT
Thetraditionalwiredmonitoringsystemhassomeproblemssuchascomplexdesign,highexpensive,difficultservicing.So,weproposeaprogramthatiswirelesstemperaturesensorbasedontheZigBeetechnology.Wediscussedthesystemstructure,thedesignofsoftwareandhardwareoftemperaturesensorbasedonZigBeetechnology.Inthispaper,basedontheSimplePacketProtocol（SPP）ofZigBeeprotocalstack,ItakethetemperaturesensorDS18B20tocollectthetemperaturedata,usetheCC2530RFchiptotransmitthemessageandreadthedatefromtheLiquidCrystalDisplay（LCD）1602.FirstlyIstudiedthecc2530chipandtheprincipleoflcd1602theoreticallyandshownthestructuresofwirelesssensorcommunicationandthehardwareandsoftwaredesignwhichconsiderstherequirementoflow-power.ThenIprogrammedthesoftwareofcc2530andlcd1602throughIARwhichisjusttheprogrammingsoftware.FinallyIsimulatedtheresultsofthisexperimenttoprovetheachievmentintransmittingdatawithZigbeewirelesscommunicationmoduleatlowpoweruseandshowingthedataonthescreenoflcd1602.Theexperimentalresultsshowthatthewirelesstemperaturesensorhassimplestructure,lowpower,lowcost,highreliability,goodextensibilityandflexibleconfiguration.Thewirelsstemperaturesensorwillwidelyapplytoourproductionandliving.
Keywords:
wirelesssensornetwork；zigbeeprotocol；cc2530;ds18b20;lcd1602
1引言
1.1Zigbee概述及其特性
1.1.1Zigbee概述
Zigbee一词来源于蜜蜂的舞蹈，因为蜜蜂发现食物时，会通过跳一种Z形的舞蹈来传递信息，所以在中国被译为"紫蜂"。
它是一种新兴的短距离无线通信技术，可嵌入各种各样的设备，应用于自动远程控制领域。
ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。
ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。
其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。
ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
ZigBee网络中设备的可分为协调器（Coordinator）、汇聚节点（Router）、传感器节点（EndDevice）等三种角色。
1.1.2Zigbee特性
①低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
②低成本。
通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。
每块芯片的价格大约为2美元。
③低速率。
ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。
传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤短时延。
ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
⑦高安全。
ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单（AccessControlList,ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
⑧免执照频段。
使用工业科学医疗（ISM）频段，915MHz（美国）,868MHz（欧洲）,2.4GHz（全球）。
1.2国内外ZigBee技术的现状及发展趋势
1.2.1国内外Zigbee技术的发展现状
近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大的提高了人们的工作效率和生活质量。
然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，所以在近距离的各种设备间的无线通信如雨后春笋般的发展起来。
纵观目前发展比较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但资源的消耗大，成本也比较高，并不能很好的适用于短距离无线通信的场合。
蓝牙技术的出现使得算距离无线通信成为可能，但其协议复杂，功耗高。
所以一种基于IEEE802.15.4通信协议的且具有低功耗，低复杂度，更适应工业环境的zigbee技术在自动控制，传感，监控和远程控制等领域得到了很大的发展。
国内不少人已经开始关注Zigbee这们新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。
因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目zigbee产品还是比较少。
在国外，为了推动ZigBee技术的发展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟（ZigBeeAlliance），包括有许多IC设计、家电、通讯设备、IP服务提供、玩具等厂商相继加入，目前该联盟已经包含150多家会员。
在ZigBeeAlliance的成员中，有不少是提供ZigBee解决方案的业者。
下面简单介绍一下著名的相关产品。
TI/CHIPCON公司的CC2420：
CC2420是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器。
该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。
它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。
CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。
利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。
1.2.2Zigbee发展趋势
Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。
另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。
Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。
关于这方面的报道，你只需在XX，或GOOGLE搜索栏中键入“Zigbee”,你就会看到大量的有关报道。
总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的时期。
因此Zigbee技术将成为未来自动化发展的一个重要的方向，将成为各个领域中不可缺少的技术。
1.3Zigbee网络的优势
（1）系统复杂性
ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。
ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。
ZigBee定义了两种类型的设备：
全功能设备FFD和简化功能设备RFD。
网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者（Coordinator）和最多可达65535个从属设备。
网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。
一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD[3]。
RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。
从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。
（2）功耗
ZigBee的MAC信道接入机制有两种：
无信标（Beacon）模式和有信标模式。
无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样低平均功耗非常低。
有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。
信标对簇形网络和网状网的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道而消耗能量。
网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。
星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省[4]。
因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以更节省更多功率。
2系统硬件电路设计
2.1单片机CC2530
2.1.1CC2530简介
CC2530是用于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和许多其他的功能。
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。
CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。
运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。
CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-Stack™），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。
CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的
ZigBeeRF4CE远程控制解决方案。
2.1.2CC2530引脚及功能描述
CC2530引脚图如下图2-1所示。
图2-1cc2530引脚图
cc2530引脚功能描述如下表2-1。
引脚名称
引脚
引脚类型
描述
AVDD1
28
电源（模拟）
2V–3.6V模拟电源连接
AVDD2
27
电源（模拟）
2V–3.6V模拟电源连接
AVDD3
24
电源（模拟）
2V–3.6V模拟电源连接
AVDD4
29
电源（模拟）
2V–3.6V模拟电源连接
AVDD5
21
电源（模拟）
2V–3.6V模拟电源连接
AVDD6
31
电源（模拟）
2V–3.6V模拟电源连接
DCOUPL
40
电源（数字）
1.8V数字电源去耦。
不使用外部电路供应
DVDD1
39
电源（数字）
2V–3.6V数字电源连接
DVDD2
10
电源（数字）
2V–3.6V数字电源连接
GND
-
接地
接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面
GND
1,2,3,4
未使用的引脚
连接到GND
P0_0
19
数字I/O
端口0.0
P0_1
18
数字I/O
端口0.1
P0_2
17
数字I/O
端口0.2
P0_3
16
数字I/O
端口0.3
P0_4
15
数字I/O
端口0.4
P0_5
14
数字I/O
端口0.5
P0_6
13
数字I/O
端口0.6
P0_7
12
数字I/O
端口0.7
P1_0
11
数字I/O
端口1.0-20-mA驱动能力
P1_1
9
数字I/O
端口1.1-20-mA驱动能力
P1_2
8
数字I/O
端口1.2
P1_3
7
数字I/O
端口1.3
P1_4
6
数字I/O
端口1.4
P1_5
5
数字I/O
端口1.5
P1_6
38
数字I/O
端口1.6
P1_7
37
数字I/O
端口1.7
P2_0
36
数字I/O
端口2.0
P2_1
35
数字I/O
端口2.1
P2_2
34
数字I/O
端口2.2
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
RBAIS
30
数字I/O
参考电流的外部精密偏置电阻
RESET_N
20
事数字输入
复位，活动到低电平
RF_N
26
RFI/O
RX期间正负RF输入信号到LAN
RF_P
25
RFI/O
RX期间正RF输入信号到LAN
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
表2-1cc2530引脚功能描述
2.1.3CC2530应用电路图
CC2530操作只需要很少的外部元件，CC2530应用电路图如下图2-2
图2-2CC2530应用电路图
2.2温度传感器设计
2.2.1DS18B20简介
温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。
DS18B20的主要特点：
⑴全数字温度转换及输出；⑵先进的单总线数据通信；⑶最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；⑷12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；⑸可选择寄生工作方式；⑹检测温度范围为-55°C~+125°C（–67°F~+257°F）；⑺内置EEPROM，限温报警功能；⑻64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；⑼多样封装形式，适应不同硬件系统。
2.2.2DS18B20引脚介绍
DS18B20引脚如下图2-3所示
图2-3ds18b20引脚图
DS18B20引脚说明如下表2-2：
表2-2DS18B20引脚说明
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
2.2.3DS18B20工作原理
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
DS18B20共有三种形态的存储资源，即:
ROM只读存储器；RAM数据暂存器；EEPROM非易失性记忆体。
DS18B20由4个主要数据部件即64位ROM存储序列号、温度传感器、温度报警寄存器和配置寄存器组成，DS18B20基本结构方框图如图2-4所示
图2-4DS18B20基本机构图
在上面的结构组成图中，可以看作地址序列码的64位序列号是出厂前就被光刻好的，确保每一个DS18B20都各不相同，从而实现一根总线上挂多个DS18B20的目的。
温度传感器可以完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读书形式提供，其存储格式如下表2-3所示。
表2-3温度值存储格式
温度值以9位数字量的形式表示，如果S为零，则所测的温度为正，其计算方法为按位加权求和，即：
T=MS.2*26+MS.1*25+MS.0*24+LS.7*23+LS.6*22+LS.5*2+LS.4+LS.3*2-1+LS.2*2-2+LS.1*2-3+LS.0*2-4（2-1）
如果S为1，则所测的温度为负，其计算方法为首先求补，再按位加权求和，一些温度值和数字量的计算关系如下表2-4所示。
表2-4温度值和数字量的关系
温度
二进制表示
十六进制表示
+123℃
0000011111010000
07D0h
+85℃
0000010101010000
0550h
+25.0625℃
0000000110010001
0191h
+10.125℃
0000000010100010
00A2h
+0.5℃
0000000000001000
0008h
0℃
0000000000000000
0000h
﹣0.5℃
1111111111111000
FFF8h
﹣10.125℃
1111111101011110
FF5Eh
﹣25.0625℃
1111111001101111
FF6Fh
﹣55℃
1111110010010000
FC90h
DS18B20与CC2530的连接电路如下图2-5所示。
1脚接地，2脚接CC2530的P0.4口，3脚接电源并提供一个上拉点阻,这样需要通过用软件来完成P0.4口的电平模拟DS18B20的协议时序对DS18B20芯片的访问。
图2-5DS18B20连线图
2.31602液晶显示器
2.3.11602液晶显示器简介
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
2.3.21602液晶显示器的引脚及功能描述
1602液晶显示器引脚图如下图2-6所示。
图2-61602液晶显示器引脚图
1602液晶显示器引脚功能描述如下表2-5所示。
1602采用的是标准的16脚接口，其中有两条是背光电源线VCC（15脚）和地线（16脚），
表2-51602液晶显示器引脚说明
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
1
Vss
电源地
2
Vcc
电源（+5V）
3
Vee
对比调整电压
4
RS
0/1
输入
0=输入指令，1=输入数据
5
R/W
0/1
输入
0=向LCD写入指令或数据，1=从LCD读取信息
6
E
1,1→0
输入
使能信号，1时读取信息，1→0（下降沿）执行指令
7—14
DB0—DB7
0/1
输入/输出
数据总线line0（最低位）—数据总线line7（最高位）
15
A
+Vcc
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
1602液晶显示器与CC2530的接线图如下图2-7所示。
图2-71602显示器接线图
3Zigbee无线传感器系统软件的设计
3.1Zigbee传输
现场Zigbee网络节点，协调器节点采用的是Zigee2007协议栈协调器程序，路由器节点采用的是协议栈路由器程序，终端节点采用的是协议栈终端节点程序。
协调器负责建立网络，路由器和终端节点负责加入网络。
这里路由器很重要，路由协议采用AODV路由协议，它可以是路由找到最优的传输路径，而且在个别路由故障时路由器会自动组成新的路径来传输信息。
程序流程图如图3-1所示。
图3-1zigbee传输流程图
3.2系统程序设计
系统初始化主要包括各个参数初始化。
参数初始化主要包括I/O接口和外设的初始化，定义系统时钟信号、工作频率、电源管理方式及Zigbee网络地址和MAC层的参数。
主程序主要包括信号的采集、计算
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