另外,它可与86<个节点联网。
节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。
它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。
几种常用无线传输方式的主要性能比较见表1。
2.2ZigBee技术特点
ZigBee是一种无线连接,可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。
作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:
(1)低功耗:
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
(2)成本低:
ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。
低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
(3)时延短:
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
(4)网络容量大:
一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
(5)可靠:
采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6)安全:
ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
2.3ZigBeepro技术
ZigBee2007规范定义了ZigBee和ZigBeePro两个特性集,全新的ZigBee2007规范建立在ZigBee2006之上,不但提供了增强型的功能而且在某些网络条件下还具有向后兼容性。
ZigBee特性集提供了树寻址、按需距离矢量路由协议(AODV)网状路由、单播、广播和群组通信以及安全等特性。
相比之下ZigBeePro用随机寻址取代了树寻址,虽然包括了ZigBee2006和2007规范中所使用的AODV路由,但是却提供了多对一源路由备选方案。
ZigBeePro还增加了有限的广播寻址功能,并增加了对“高级”安全性的支持功能。
ZigBee和ZigBeePro特性集均对可选频率捷变和拆分提供了更多的支持。
ZigBee树寻址功能按照等级分配地址。
ZigBeePro采用随机寻址法随机地为设备分配地址,并通过不断监控和达到“管理”流量将冲突挑选出来。
ZigBee不仅受益于可靠、独特的寻址方法,而且不存在经常性的监控通信与处理地址冲突的开销。
但Pro却得益于调整功能,如当通讯限制会导致一个由多个(5个以上)调频(Hop)组成的网络时;或当一个网络由多个移动终端设备组成时,该优势是以不断增加的启动延迟为代价,因为ZigBeePro必须要允许一定的时间以解决地址冲突问题,而对树寻址而言则并非必须。
ZigBee和ZigBeePro路由均使用AdHoc方式的按需距离矢量路由协议(AODV),但是只有Pro可支持对多以路由选项。
在牺牲一个交大协议栈的前提下,多对一源路由实现了快速路由建立,此时多个设备(如传感器)均向一个接收器(Sink)报告(如网关设备)。
对于自主双向和点对点通信(如灯空开关和灯)来说,多对一特写就变得哪么高效了,并且在一些情况下会变得不合时宜。
ZigBee和ZigBeePro均支持集群寻址,但是Pro增加了对有限广播集群寻址支持,可在所有集群成员相对紧密临近时防止整个网络出现不必要的溢流(Flooding)。
该特性在降低大型网络的网络宽通信开销方面及其有用,但随之而来的是占用更多宝贵的节点空间。
虽然存在一些细微的差异,但ZigBee和ZigBeePro之间最主要的特性差异是对高级别安全性的支持。
高级别安全性提供了一个点对点连接之间建立链路密匙的机制,并且当网络设备在应用层无法得到信任时增加了更多的安全性。
像许多Pro特性那样,高级安全特性对于某些应用而言非常有用,但在有效利用宝贵节点空间fangmian却付出很大代价。
尽管ZigBee和ZigBeePro在大部分特性上相同,但只有在有限条件下二者的设备才能在同一网络中同时使用。
如果所建立的网络(由协调器建立)为一个ZigBee网络,那么ZigBeePro设备将只能以有限的终端设备的角色连接和参与到该网络中,即该设备将通过一个父级设备(路由器或协调器)与网络保持通讯,且不参与到路由或允许更多设备连接到网络中。
同样,如果网络最初建立为一个Pro网络,ZigBee设备也只能以有限的终端设备的角色参与到该网络中来。
第三章主要模块设计
3.1MCU无线单片机MC13224V
3.1.1MC13224V特点
飞思卡尔(Freescale)公司MC13224是第三代ZigBee解决方案,集成了完整低功耗2.4GHz无线电收发器,基于32位ARM7核的MCU,用于IEEE802.15.4、MAC和AES安全加密的硬件加速器以及MCU成套外设,是高密度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案,能实现点对点连接和完整的ZigBee网状网络,因此可广泛应用在住宅区和商业自动化、工业控制、HVAC、卫生保健和消费类电子等产品。
MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。
提供了104dB的链路质量,优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性,多种供电模式,以及一套广泛的外设集——包括2个高速UART、12位ADC和64个通用GPIO,4个定时器,I2C等等。
除了更强MCU,改进了RF输出功率、灵敏度、选择性,且一般会提供一个超越上一代CC2430的重要性能改进。
除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准ARM7TDMI-S内核,支持一般低功耗无线通信,还可以配备一个标准网络协议栈(ZigBee,ZigBeeRF4CE)来简化开发,使你更快的获得市场。
MC13224可以用于的应用包括远程控制、工业控制、HVAC、卫生保健消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。
MC13224V特点
特性
强大无线前端
2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器。
出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。
可编程输出功率为+4dBm,总体无线连接104dbm。
极少量的外部元件。
支持运行网状网系统。
-96dBm接收灵敏度。
250kbps数据传输速率。
低功耗
接收模式:
22毫安。
发送模式1dBm:
29毫安。
功耗模式1:
3.3毫安。
功率模式2:
0.8微安。
功耗模式3:
0.3微安。
宽电源电压范围(2V-3.6V)。
微控制器
32位ARM7TDMI-S微控制器内核。
128kB系统可编程闪存。
96KSRAM及80KROM。
硬件调试支持。
外设
KBI及I2C。
4个16位定时器及PWM。
红外发生电路。
32KHZ的睡眠计时器和定时捕获。
CSMA/CA硬件支持。
精确的数字接收信号强度指示/LQI支持。
温度传感器。
二个8通道12位ADC。
AES加密安全协处理器。
两个高速同步串口。
64个通用I/O引脚。
看门狗定时器。
应用
2.4GHzIEEE802.15.4标准系统。
RF4CE遥控控制系统。
HVAC/楼宇自动化。
照明系统。
工业控制和监测。
低功率无线传感器网络。
消费电子。
健康照顾和医疗保健。
3.1.2MC13224V与其他无线单片机比较
标签:
MC13224CC2430CC2530
项目
CC2430
CC2530
MC13224
引脚
48
40
99
封装
QLP48
QFN40
LGA
电压
2.0V–3.6V
2.0V–3.6V
2.0V–3.6V
大小
7x7mm
6mm×6mm
9.5mm×9.5mm
微控制器
增强型C8051
增强型C8051
ARM7TDMI-S
Flash
32/64/128KB
32/64/128/256KB
128KB
RAM
8KBSRAM,4KBData
8KB
96KB,80KROM
段频
2.4G
2.4G
2.4G
支持标准
ZigBee04/06/SimpliciTI
ZigBee07/PRO/RF4CE/SimpliciTI
ZigBee07/PRO/RF4CE
软件平台
IAR
IAR
IAR
射频RF
CC2420
CC2520
MC13224
接收灵敏度
-90dBm
-97dBm
-96dBm(DCD模式)
-100dBm(NCD模式)
输出功率
0(最小为-3)dBm
4.5(最小-8,最大10)dBm
-30至4dBm
自带传感器
温度
温度
温度
功耗
RX:
27mA
RX:
24mA
RX:
22mA
TX:
25mA
TX:
29mA
TX:
29mA
低功耗
掉电:
0.9uA
掉电:
1uA
掉电:
0.8uA
挂起:
0.6uA
挂起:
0.4uA
挂起:
0.3uA
抗干扰
CSMA/CA
CSMA/CA
CSMA/CA
DMA
支持
支持
支持
RSSI/LQI
支持
支持
支持
AES处理器
有
有
有
I/O
21个
21个
64个
定时/计数器
4(2个16位、2个8位)
4(2个16位、2个8位)
4(16位)
串口
2个
2个
2个(2M)
802.15.4定时器
有
有
有
ADC
8-14位
7-12位
12位
开发工具
C51RF-3-PK
C51RF-CC2530-PK
ARMRF-MC13224-PK
芯片零售参考价
45/片
45/片
45/片
3.1.3MC13224V电路设计
MCl322x在内部集成了不平衡变压器和转换开关,开发人员不必再进行复杂的RF匹配电路设计,芯片只需外接天线和晶振,外围器件数量和尺寸被减少到了最小。
因此,电路设计简单方便。
(振荡器连接电路)
3.1.4MC13224V软件开发
1.本平台采用IAREmbeddedWorkbenchforARM开发环境
IAREmbeddedWorkbenchforARM(下面简称IAREWARM)是一个针对ARM处理器的集成开发环境,它包含项目管理器、编辑器、C/C++编译器和ARM汇编器、连接器XLINK和支持RTOS的调试工具C-SPY。
在EWARM环境下可以使用C/C++和汇编语言方便地开发嵌入式应用程序。
比较其他的ARM开发环境,IAREWARM具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。
且支持MC13224v的c语言开发。
目前IAREWARM支持ARMCortex-M3内核的最新版本是4.42a,该版本支持Luminary全系列的MCU。
2.仿真器采用J-LinkARMJTAG仿真器。
J-Link是SEGGER公司为支持仿真ARM内核芯片推出的JTAG仿真器。
配合IAREWARM,ADS,KELL,WINARM,RealView等集成开发环境支持所有ARM7/RAM9内核芯片的仿真,通过RDI接口和各集成开发环境无缝连接,操作方便简单易学,是学习开发ARM最好最实用的开发工具。
3.2按键及led模块设计
MC13224v有一个4*4键盘接口,具体设计如下:
设计中也适当加入了led灯的想法
3.3液晶显示屏
3.5.1液晶显示屏主要参数指标
本平台采用迪文公司的彩色触摸液晶显示器,DMT32240S035-01W。
改液晶采用串口传输方式,具有传输可靠,占用资源少等有点,具体技术参数如下:
3.5.2资料传输与接口时序
本液晶为串口传输液晶,指令和数据遵循串口协议。
约定了基本书写规范。
用数居前加0x或数据后加H的方式表示十六进制。
为了方便用户直接应用,穿孔指令都使用十六进制格式书写,并不加任何标记。
用(x,y)表示屏上的坐标位置。
字数据都采用msb方式传送。
所以文档中也采用msb方式等。
3.6电源设计
1.平台采用mc13224低功耗芯片,典型工作电流30-35ma,我们采用lp2985对芯片提供3.3v稳压。
Lm2985额定电流为150mA足够提供芯片正常运行。
2.芯片可直接采用电池供电使VIN=2.4v。
3.VIN输入有效为2.4--3.6vdc
4.采用LM385-2.5V提供ADC转换的外部参考电压输入,提供+2.5V参考电压值。
5.采用了一个三极管9015对传感器的输入电源和参考电压使能进行控制,控制脚置低电平时使能该电源。
第四章开发前景展望
由于收到软件限制。
本平台暂时只设计了彩色液晶,按键,等模块。
有待进一步升级
平台升级计划:
1.组件多节点zigbee网络
2.温度传感器
3.光传感器接口
4.pc机通信软件实现
第五章小结
该系统设计将采用最新的基于ARM内核的无线单片机MC13224v为核心,配合输入和显示设备,可达到熟悉ARM7内核,和IEEE802.15.4-ZigBee2006高频电路和最新ZigBee2007/PRO协议栈。
能在开发过程中熟悉和掌握ARM无线单片机MC13224V及软件编程技术和协议栈的相关内容。
系统采用低功耗器件,使得使用寿命大幅提升。
并采用充电电池供电,便于无线网络的组建。
彩色触摸屏利用串口传输数据,节省了硬件资源和降低了开发难度,并且便于人机友好交互。
第六章、参考文献
【1】BrianM.Blum.ZigBee与ZigBeePRO:
哪一个特性集最适
合?
【J】.电子设计技术,2008.15(8):
131.132.
【2】李文仲,段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践【M】.北
京:
北京航空航天大学出版社,2009.
【3】ZigBeeAlliance.ZigBee-2007Specification,rl7[S].
【4】FreescaleSemiconductor.FreescaleBeeStackSoftwareReferenceManualforZigBee[M]2007,Rev.1.1.
【5】TexasInstruments.Z—StackDeveloper’SGuide,Rev.I.2.【Z】
【6】BobGohn.TheZigBeePROFeatureSet:
Moreofagoodthing
【EB/OL].【2007—12·18】.http:
//www.embedded.corn/design/205100696.
【7】FreescaleSemiconductor.MCl322xRM,Rev.0.0【z】.
【8】NationalSemiconductor.LM940231.5VmicroSMD,Dual-Gain
AnalogTemperatureSensorwithClassABOutput[Z].
【9】FreescaleSemiconductor.FreescaleZigBeeClusterLibrary
RefeFenceManual,Rev.i【Z】