Zigbee节点的液晶显示设计.docx

1、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(Simple Packet Protocol），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

2、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；LCD1602The Liquid Crystal Display Design ZigBee Nodes

3、ABSTRACTThe traditional wired monitoring system has some problems such as complex design, high expensive, difficult servicing. So, we propose a program that is wireless temperature sensor based on the ZigBee technology. We discussed the systems tructure, the design of software and hardware of temper

4、ature sensor based on ZigBee technology. In this paper, based on the Simple Packet Protocol (SPP) of ZigBee protocal stack, I take the temperature sensor DS18B20 to collect the temperature data, use the CC2530 RF chip to transmit the message and read the date from the Liquid Crystal Display (LCD) 16

5、02.Firstly I studied the cc2530 chip and the principle of lcd1602 theoretically and shown the structures of wireless sensor communication and the hardware and software design which considers the requirement of low-power. Then I programmed the software of cc2530 and lcd1602 through IAR which is just

6、the programming software. Finally I simulated the results of this experiment to prove the achievment in transmitting data with Zigbee wireless communication module at low power use and showing the data on the screen of lcd1602.The experimental results show that the wireless temperature sensor has si

7、mple structure, low power, low cost, high reliability, good extensibility and flexible configuration. The wirelss temperature sensor will widely apply to our production and living.Key words: wireless sensor network ；zigbee protocol ；cc2530; ds18b20; lcd1602 1 引言1.1 Zigbee概述及其特性1.1.1 Zigbee概述Zigbee一词

8、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IEEE 802.15.4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

9、(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。1.1.2 Zigbee特性 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624个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。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。低速率。ZigBee工作在20250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据

10、吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。近距离。传输范围一般介于10100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到13km。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。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310s、WiFi 需要3 s。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。高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安

11、全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。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

12、，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

13、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(ZigBee Alliance)，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ZigBee Alliance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Chi

14、pcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4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SmartRF 03技术，以0.18um CMOS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。1.2.2 Zigbee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

15、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。1.3 Zigbee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

16、。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FFD3。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

17、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

18、，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CC25302.1.1 CC2530简介 CC2530 是用于IEEE 802.15.4、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8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 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

19、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ZigBee RF4CE 远程控制解决方案。2.1.2 CC2530引脚及功能描述CC2530引脚图如下图2-1所示。图2-1 cc2530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AVDD128电源（模拟）2V3.6V 模拟电源连接AVDD227电源（模拟）2V3.6V

20、模拟电源连接AVDD324电源（模拟）2V3.6V 模拟电源连接AVDD429电源（模拟）2V3.6V 模拟电源连接AVDD521电源（模拟）2V3.6V 模拟电源连接AVDD631电源（模拟）2V3.6V 模拟电源连接DCOUPL40电源（数字）1.8V 数字电源去耦。不使用外部电路供应DVDD139电源（数字）2V3.6V 数字电源连接DVDD210电源（数字）2V3.6V 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GND1,2,3,4未使用的引脚连接到GNDP0_019数字I/O端口0.0P0_118数字I/O端口0.1P0_217数字I/O端口0.2P0_316数字I/

21、O端口0.3P0_415数字I/O端口0.4P0_514数字I/O端口0.5P0_613数字I/O端口0.6P0_712数字I/O端口0.7P1_011数字I/O端口1.0-20-mA 驱动能力P1_19数字I/O端口1.1-20-mA 驱动能力P1_28数字I/O端口1.2P1_37数字I/O端口1.3P1_46数字I/O端口1.4P1_55数字I/O端口1.5P1_638数字I/O端口1.6P1_737数字I/O端口1.7P2_036数字I/O端口2.0P2_135数字I/O端口2.1P2_234数字I/O端口2.2P2_3/33数字I/O端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4

22、/32数字I/O端口2.4/32.768 kHz XOSCRBAIS30数字I/O参考电流的外部精密偏置电阻RESET_N20事数字输入复位，活动到低电平RF_N26RF I/ORX期间正负RF输入信号到LANRF_P25RF I/ORX期间正RF输入信号到LANXOSC_Q122模拟I/O32-MHz 晶振引脚1或外部时钟输入XOSC_Q223模拟I/O32-MHz 晶振引脚2表2-1cc2530引脚功能描述2.1.3 CC2530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2-2 CC2530应用电路图2.2 温度传感器设计2.2.1 DS18B20

23、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：全数字温度转换及输出；先进的单总线数据通信；最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；可选择寄生工作方式；检测温度范围为-55C +125C (67F +257F)；内置EEPROM，限温报警功能；64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；多样封装形式，适应不同硬件系统。2.2.2 DS18B20引脚介绍 DS

24、18B20引脚如下图2-3所示图2-3 ds18b20引脚图 DS18B20引脚说明如下表2-2：表2-2 DS18B20引脚说明序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ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。3VDD可选择的VDD引脚。工作于寄生电源时，此引脚必须接地。2.2.3 DS18B20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。 DS1

25、8B20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2-4 DS18B20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+

26、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+1230000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h

27、00000 0000 0000 00000000h0.51111 1111 1111 1000FFF8h10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh25.06251111 1110 0110 1111FF6Fh551111 1100 1001 0000FC90hDS18B20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2-5 DS18B20连线图2.3 1602液晶显示器2.3.1 1602液晶显示器简介工业字符

28、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

29、于市面上大部分的字符型液晶。2.3.2 1602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2-6 1602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2-5 1602液晶显示器引脚说明引脚号引脚名电平输入/输出作用1Vss电源地2Vcc电源（+5V）3Vee对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令，1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据，1=从LCD读取信息6E1,10输入使能信号，1时读取信息，10（下降沿）执行指令714DB0DB7

30、0/1输入/输出数据总线line0（最低位）数据总线line7（最高位）15A+VccLCD背光电源正极16K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2-7 1602显示器接线图3 Zigbee无线传感器系统软件的设计3.1 Zigbee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3-1 zigbee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