课程设计实验报告-无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计(编辑修改稿)

课程设计实验报告-无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计(编辑修改稿)内容摘要：

以及存储器，利用它建造具有 ZigBee功能的产品，可以极大的降 低 组件尺寸、成本和功耗。 Ember公司提供的 Insight EM250开发套件，包括硬件、网络开发、调试软件以及用于嵌入式图 系统应用的编译器和一个现场可升级的 ZigBee协议栈 Ember ZNet 2． 1，上述所有的工具都是为单一集成开发环境模式提供的。 现场参数无线检测网络对硬件平台的要求十分苛刻。 其所有节点都会同时运行多个任务。 要求 MCU处理速度足够快，才能能及时地响应各个任务，避免造成网络阻塞。 同时无线检测网络协议栈和应用程序都要存储在程序存储器中，所以节点的 MCU程序存储器要求有较大存储空间。 另外，协调节点还应具备较大空间的数据存储器，以保存网络的各种信息。 本装置采用电池供电方式，决定了 MCU的工作电压必须较低，而且正常工作时应满足低功耗的要求。 节点的 MCU最好还具备 A／ D转换能力，以减少外围器件的使用，从而有利于减小节点体积，降低节点功耗。 通过对以上不同公司的多种方案进行比较，结合现场参数无线检测装置对硬件平台的要求，本着减少硬件设计复杂度以及提高射频通信系统稳定性的原则，本课题选用 TI(Chipcon)公司的 CC2430 SOC芯片作为 ZigBee无线检测装置的硬件解决方案。 2， CC2430介绍 CC2430芯片是 Chipcon公司生产的符合 ZigBee技 术的。 适用于各种 ZigBee或类似 ZigBee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。 CC2430芯片延用了以住 CC2430芯片的架构，在单个芯片上整合了 ZigBee射频（ RF）前端、内存和微控制器。 它使用 1个 8位 MCU（ 8051），具有 128KB可编程闪存和 8KB的 RAM，还包含模拟数字转换器（ ADC）、几个定时器、 AES128协同处理器、看门狗定时器、 32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及 21个可编程 I/O引脚。 主要特点 CC2430芯 片采用 CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为 27mA。 在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 27mA或 25mA， CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那引动要求电池寿命非常长的应用。 （ 1） 高性能和低功耗的 8051微控制器核。 （ 2） 集成符合 RF无线电收发机 . （ 3） 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 （ 4） 在休眠模式时仅 ，外部的中断或 RTC能唤醒系统。 在待机模式时少于，外瓤子的中断能唤醒系统。 （ 5） 硬件支持 CSMA/CA功能。 （ 6） 较宽的电压范围（ － ）。 （ 7） 数字化的 RSSI/LQI支持和强大的 DMA功能。 （ 8） 具有电池监测和温度感测功能。 （ 9） 集成了 14们模数转换的 ADC。 （ 10） 集成 AES安全协处理器。 （ 11） 带有２个强大的支持几组协议的 USART，以及１个符合 IEEE MAC计时器，１个常规的１６位计时器和２个８们计时器。 （ 12） 强大和灵活的开发工具。 引脚介绍 CC2430芯片采用７ mm*７ mm QLP 封装，共有 48引脚。 全部引脚可分为 I/Ｏ 端口线引脚、电源线引脚和控制引脚三类。 I/Ｏ 端口线引脚功能 CC2430有２１个可编程的 I/O口引脚， p0、 p1口是完全的８位口， p2口只有５个可使用的位。 通过软件设定一组ＳＦＲ寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的Ｉ /O口作为连接ＡＤＣ、计时器或 USART部件的外围设备 I/O口使用。 可设置为通常的 I/O口，也可设置为外围 I/O使用，在输入时有上拉和下拉能力。 都具有响应外部的中断能力 ，同是外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。 收发器性能 基于 IEEE802． 15． 4的 CC2430无线收发模块的核心部分是 CC2420射频收发器。 CC2430的无线接收器是一个低 中频的接收器。 接收到的射频信号经过低噪声放大器 (LNA)和 I／ O(同向信号和正交相位信号 )下变频转换为中频 (IF)信号，中频信号为 2MHz。 此混合 I／ O信号经过滤波、放大、 AD转换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。 CC2430的无线发送器是基于直接上变频的。 要发送的数据先被送入 128字节的发送缓存器 (TXFIFO)中，帧引导序列和帧开始定界符由硬件自动产生。 所要发送数据流的每 4位使用 IEEE802． 15． 4序列扩展技术扩展为 32码片的扩频序列，输出到 DA变换器。 然后，经过低通滤波和上 变频的混频后的射频信号被调制到 2． 4GHz，经功率放大 (PA)后送到天线发射出去。 CC2430采用了内部发送／接收 (讯 )开关电路，天线的接口及匹配比较容易。 RF为差动连接。 单极天线可以使用不平衡变压器。 通过外接直流通路，连接引脚 TXRX SWITCH到引脚 RF P和引脚 RF N，实现功率放大器和低噪声放大器的偏置。 3， SHT11介绍 SHTll单芯片传感器是瑞士 Sensirion公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、兔外围电路及全互换的特点。 SHTl 1采用 Sensirion公司专利的 CMOSens过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个 14位的 A／ D转换器以及串行接口电路在同～芯片上实现无缝连接，体积仅与大火柴头相近，因此，该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。 SHTl l传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为 14位、 12位，通过状态寄存器可降至 12位、 8位。 湿度测量范围是 O～ 100％ RH，对于 12位的分辨率为 0． 03％ RH，精度为177。 4． 5％ RII。 测温范围为 40℃ 一 +123． 8。 C对于 14位的分辨率为 0． 0l℃。 精度为177。 0． 5℃。 每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中进行了标定，校准系数以程序形式储存在 OTP内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，这使 SHTll具有 100％的互换性。 其测量原理：首先利用 2只传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经过放 大，分别送至 A／ D转换器进行模数转换、校准和纠错；再通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器；最后利用微控器完成非线性补偿和温度补偿。 SHTll与 CC2430的接口十分简单，属于 12C总线接口，只需占用两个普通数字 I／ O口。 其中， SCK为 SHTll的串行时钟输入线， CC2430通过 SCK向 SHTl l提供时钟脉冲，用于两者之间的通信同 步。 4， 无线传感器结点硬件总体方案设计 根据无线检测网络的功能，将便件设计分为两大部分： CC2430基本工作电路与天线电路和节点外围电路。 CC2430基本工作电路与 天线电路是实现单片机和天线正常工任的保证，包括 CC2430的时钟电路，去耦电路、偏置电阻电路和天线电路。 面节点外围电路用于实现网络的功能，下载程序，数据采集电路，按键电路和电源电路等组成。 节点硬件整体设计图如图。 CC2430 基本工作电路与天线电路实现 基于 IEEE802． 15． 4的 CC2430无线芯片是集运算控制单元和射频单元于一身的 SOC 无线解决方案。 射频单元的核心部分是 CC2420射频收发器。 正是由于 CC2430的高度 集成性，所以只需要很少的外围器 件就能搭建好一个应用系统。 CC2430的供电电压范 围很宽，从 2． O到 3． 6V均可以使用。 它内部使用 1． 8V的工作电压，外部数字 I／ O口使 用的是 3． 3V电压。 其片内还集成了一个自流稳压器，能够把 3． 3V的电压转换为 1． 8V 的电压。 这样外围电路就不用再专门设计一个电压转换电路。 下图 是参照 TI公司提供 的参考电路设计的原理图。 （ 1） 时钟设计 CC2430工作需要两个时 CC2430工作需要两个时钟晶振，第一个为 32MHz，为无线收发提供时钟；第二个为 32． 768KHz，为睡 眠 模式提供时钟。 C19和 C20为 32MHz晶振的负载电容，电容值取决于负载电容的大小， CL=I／ (1／ C19+1／ C20)+Cf，其中 CL典型值为 16pF， Cf为 2～5pF，为保证晶体振荡器产生的频率准确而稳定。 所以 C19和 C20的典型值为 33pF。 (2) 偏置电阻配置 R4为电流基准发生器的精密电阻。