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微处理器单元采用TI 公司MSP430 系列单片机， 是一种具有集成度高、功能丰富、功耗极低等技术特点的16 位单片机。超低功耗的混合信号控制器、丰富的片内外设、节能考虑的多种工作模式和对C 语言程序设计的支持， 使得MSP430 系列单片机非常适合于应用在嵌入式系统中。设计中选用带有Flash 存储器可进行在线编程的MSP430F149 单片机； 外围模块有看门狗、定时器A/B、同步/异步串行通信接口、10 /12 位A/D 以及6个8 位并行端口等多种组合形式。其实现功能主要有： 操作无线收发芯片， 通过SPI 口与GPIO 对CC2420 工作状态控制和传输数据； 本地数据处理， 剔除冗余数据， 以减少网络传输的负载和对无线传输数据的封装与验证； 应答控制中心查询， 完成数据的转发与存储； 节点电源管理， 合理地设置待机状态， 以节省能量消耗， 延长节点使用寿命。

　　无线通信单元中， 选用了Chipcon 公司的CC2420 射频收发器， 它实现ZigBee 协议的物理层（ PHY） 及媒体访问控制器（MAC） 层， 低耗电、250kbps 传输速率、快速唤醒时间（30ms ） 、CSMA- CA 通道状态侦测等特性。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路以及微控制器接口电路， MCU 通过SPI 以及几个GPIO 对C2420 进行设置与读写数据。射频信号输出设计采用PCB 上的引线作为天线。

　　ZigBee 网络节点采用两节5 号电池， 经过升压DC /DC 芯片CP1402 转换到3.3V和5V, 电池使用效率可达85%。整体根据需要切换高低频率、单片机的低功耗模式， 同时采用模拟开关来控制各个传感器的供电， 在不需要采集数据时关断电源以进一步降低功耗。

　　2.2 控制器的硬件设计

　　在该系统中控制器是无线传感器网络与监控中心的中转站， 负责发送命令（ 查询、分配地址等） , 接收下层节点的请求与数据， 承担着ZigBee 网络中各节点与RS485 总线的数据交换任务。其硬件设计框图如图3 所示。无线通信单元与网络节点部分的相同， 电平转换单元采用MAX485 实现TTL 与RS485 之间的转换。

图3 控制器原理框图

　　3 系统软件设计

　　在系统的软件设计中， 协议栈的设计直接关系到整个网络系统的运行。根据ZigBee 星型网络， 协调器与终端设备在网络中的功能、地位不同， 网络节点与控制器的软件设计上也有所区别。下面主要对协议栈、网络节点与控制器的软件设计作主要介绍。

　　3.1 协议栈

　　在本设计中， 协议栈是使用C 语言编写的， 协议栈使用闪存程序存储器来存储可配置的MAC 地址、网络表和绑定表。整个协议栈构架如图4 所示。

图4 协议栈构架

　　协议栈根据ZigBee 规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中， 而服务和应用程序接口（API） 则在头文件中定义。要实现抽象性和模块性， 顶层总是通过定义完善的API 和紧接着的下一层进行交互， 该层的C头文件定义该层所支持的所有API。

　　应用程序总是与应用层（APL） 和应用支持子层（APS） 接口，APL 模块提供高级协议栈管理功能， 用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。APS 层主要提供ZigBee 端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。它还为键值对（KVP） 和报文（MSG） 数据传输提供了原语。当首次对协调器编程时绑定表为空， 主应用程序必须调用正确的绑定API来创建新的绑定项。APS 还有一个间接发送缓冲器RAM, 用来存储间接帧， 直到目标接收者请求这些帧为止。MAC_MAX_DATA_REQ_PERIOD 编译时间选项定义了确切的请求时间。节点请求数据时间越长， 数据包需要保存在间接发送缓冲器里的时间也越长， 数据请求时间越长需要的间接缓冲空间越大。

　　网络层（NWK） 负责建立和维护网络连接， 它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。ZigBee 设备对象（ZDO） 负责接收和处理远程设备的不同请求。介质访问控制（MAC）层实现了IEEE 802.15.4 规范所要求的功能， 并负责同物理（ PHY） 层进行交互。

　　3.2 网络节点的软件设计

　　网络节点主要负责采集传感器数据并将这些数据传送给协调器（ 控制器） , 同时接收来自协调器（ 控制器） 的数据并根据这些数据进行相关操作。网络节点上电后扫描所有可用信道来找到临近协调器， 申请加入此网络。由于采用电池供电方式， 必须要保证终端节点的低功耗， 设计中采用定时唤醒的方式连接协调器， 接收或发送数据。其它时间则转入休眠模式， 节点功耗降到最低。网络节点的软件流程图如图5 所示。

图5 网络节点软件流程图

关键词： ZigBee技术 分布式 温室监控系统