1、基于CortexM3的智能家居中无线数据的采集与传输基于Cortex-M3智能家居中的无线数据采集与传输 系统整体方案设计与调试电子与信息工程学院 电子信息工程专业 2007级电子班 李云龙指导教师 梁祥莹 1引 言1.1无线抄表系统的发展现状与前景随着城市居民住宅建设日益发展，独立电能表数量迅速增多，抄表计量也日趋复杂。近年来用电形势越来越紧张，分时电价已势在必行。由于长距离室内外的布线存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试和维护困难重重，传统的远程集中抄表方式已不能满足电力公司日益增长的业务需求。采用 ZigBee技术可以很好地解决下段信道的供电效益问题，无线抄表技术能够更好地为广
2、大用户提供服务。目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。（1）现有的电力线载波通信的抄表系统已经在不少地方有比较大规模的应用。但是由于有线抄表系统的速度慢，准确率比较低，加上我们国家的电网干扰比较厉害，严重时已经导致电表数据不能正常的抄回。（2）抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高；抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据；基于以上原因，要求设计的自动无线远传抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低
3、等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。1.2 Zigbee概述 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz3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
4、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1.52.5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
5、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
6、的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可
7、形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，每一个ZigBee网络数传模块在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个ZigBee
8、网络节点(FFD，Full Function Device）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD，Reduced Function Device)无线连接。2总体方案设计2.1 总体设计思想本课题是无线抄表系统的数据采集与传输，要实现数据的采集和无线传输并可在上位PC机上显示当前温度的高低。我们采用LM75温度传感器作为温度数据采集的芯片，将采集到的模拟信号，经过STM32F103C8单片机上的A/D转换功能转换成数字信号。系统的无线传输部分选择的是ZigBee无线传输技术，由于该模块具有低功耗，成本低，时延短，网络容量大，安全等特点，所以选用该模块能
9、可靠，有效地传输和保存数据，提高了系统的准确性和及时性。最后选择RS232接口以便于与上位机进行通讯。2.2 无线网络抄表系统整体框架本设计以STM32F103C8单片机为核心的三部分构成。数据采集部分由LM75温度传感器及相关电路构成，采集到温度数据经过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，转换之后的数字量经过Zigbee无线传输模块Router端传输给Coordinator端进而在上位机上输出显示。从而达到信息的实时采集与传输。该系统总体框图如图1所示：图1无线抄表系统构架图2.3 Zigbee无线传输模块DRF1600系列ZigBee模块目前包括DRF1601，DRF1602，DRF160
10、5及相关配套底板，它是基于TI公司CC2530F256芯片，运行ZigBee2007/PRO协议的ZigBee 模块，它具有ZigBee协议的全部特点，这有区别于其它种类的ZigBee模块（可能不是运行Full ZigBee2007协议，因为ZigBee2007协议的运行需要256K的FLASH空间）。自动组网，上电即用是DRF系列ZigBee模块的主要特点。所有的ZigBee协议的处理部分，在ZigBee模块内部自动完成，用户只需要通过串口传输数据即可，是目前市场上应用ZigBee最简单的方式。Zigbee的其主要特点包括：(1)DRF1605 ZigBee模块可以形象的理解为“无线的RS2
11、32连接”，所以使用这个模块就像使用RS232电缆一样简单。(2)简单易用：不用考虑ZigBee协议，串口数据透明传输；(3)自动组网：所有的模块上电即自动组网，Coordinator（协调器）自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业ZigBee组网流程。Zigbee无线传输模块的工作原理：Zigbee网络中的设备分为FFD(全功能设备)和RFD（简化功能设备），RFD模块将输入的数据量转化Zigbee通信协议包，传输给FFD模块，FFD模块根据表驱动路由算法选择最优的通信路径，把数据包传到Zigbee协调器。Zigbee协调器收到数据包后，一方面按原路径返回收到
12、确认信息，以至到达发送数据的RFD模块，实现握手通信，完成一次完整的Zigbee无线通信。3硬件电路的设计整个硬件电路系统由一块STM32F103C8开发板和温度传感器LM75和Zigbee无线传输模块三部分构成。Zigbee模块由一个Router和一个Coordinator组成。3.1 STM32F103C8芯片简介STM32F103C8是ST公司于2008年推出的高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核的ARM。工作频率可达72 MHz，内置高速存储器(高达512 kB的闪存和64 kB的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。Thumb-2指令集带来
13、了更高的指令效率和更强的性能，通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速，工作电压可以在2.03.6 V之间，能够实现耗电最优化。在工业实时控制、计算机外部设备、建筑和安防、仪器仪表、通讯设备、家电消费等各个领域应用广泛。3.1.1 STM32F103C8处理器的主要功能特点为： (1)核心：ARY32位的Cortex-M3 CPU；工作频率可倍频到72Hz，高达90 DMips 1.25 DMips/MHz。 (2)存储器：128K字节闪存程序存储器；20K字节SRAM。 (3)时钟、复位和供电管理：2.0至3.6伏供电和10管脚；上电/断电复位(POP/PDR)、可编程电
14、压监测器(PVD)、掉电监测器，内嵌4至16MHz高速晶体振荡器，内嵌经出厂调校的8YHz的RC振荡器，内嵌40kHz的RC振荡器，内嵌PLL供应CPU时钟，内嵌使用外部321dlz晶体的RTC振荡器。 (4)3种省电模式：睡眠、停机和待机模式，VBAT为RTC和后备寄存器供电： (5)2个12位模数转换器，lus转换时间(16通道)：转换范围是0至3.6v；双采样和保持功能。 (6)调试模式：串行线调试(SWD)和JTAG接口。 (7)DMA：7通道DMA控制器：支持的外设：定时器、ADC、SPI、12C和USART： (8)多达80个快速10N：26/36/51/80个多功能双向5V兼容的
15、10D；所有10D可以映像到16个外部中断。 (9)多达7个定时器：多达3个同步的16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道；16位6通道高级控制定时器：多达6路PWM输出：死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动；2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)；系统时间定时器：24位的、带自动加载功能。 （10)多达9个通信接口:多达2个IC接口(SMbus/PMbus)；多达3个USART接口,支持IS07816，LIN，IrDA接口和调制解调控制；多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)；CAN接口；USB2.0速接口。3.1.2 STM32F103C8芯片的
16、引脚排列STM32F103C8有48个引脚，封装形式为LQFP48，它的排列如图2所示： 图2 STM32F103C8引脚排列图3.1.3 STM32F103C8与URAT模组的连接：UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232接口的串行设备通信了。RS-232接口的具体定义为：1为DCD是载波检测，2为RXD是接收数据，3为TXD是发送数据，4为DTR是 数据终端准备好，5为SG是信号接地，6为DSR是数据准备好，7为RTS是请求发送，8为CTS是允许发送，9为RI是振铃提示。STM32F
17、103C8与URAT模组的连接电路如图3所示。 图3 STM32F103C8与URAT模组连接电路图3.2 LM75芯片简介LM75温度传感器包含一个模数转换器和一个数字过热检测器。主机可通过器件的IC接口随时查询LM75，读取温度数据。当温度超出可编程温度门限时，漏极开路过热报警输出（OS）将吸入电流。OS输出具有2种工作模式：比较模式或中断模式。主机控制报警触发门限（Tos）和滞回温度（THYST），温度低于滞回门限时解除报警条件。另外，主机还可以读取LM75的Tos和THYST寄存器。LM75的地址有三个引脚设置，允许多个器件工作在同一总线。器件上电时进入比较模式，默认条件下Tos=+8
18、0C且THYST=+75C。3.0V至5.5V供电范围。低电源电流以及IC接口使得LM75成为需要热管理和保护应用的理想选择。3.2.1 LM75芯片的特性温度感应精确度达0.5C,从55C至+125C温度范围内正常工作，工作电压范围为2.7V-5.5V，可编程解扣点和滞后，带上电缺省值，具有标准2线串行接口，热事件报警输出功能作为中断或比较器恒温器输出，能够至多8个LM75共用同一线，关断模式为低待机功耗，在Vcc=3V时为5V容限I/O,具有低功率特性，在工作电流为250uA，关断模式下电流为1uA。3.2.2 LM75的引脚图LM75的引脚连接图如图4所示，引脚1为SDA，具有串行数据输
19、出/输入，漏极开路，将SDA连接至上拉电阻的功能。引脚2为SCL，具有串行时钟输入，漏极开路，将SLC连接至上拉电阻的功能。引脚3为INT，具有过热关断输入，漏极开路，将OS连接至上拉电阻的功能。引脚4为接地。引脚5为A2，是2线接口地址输入，A2连接至GND或+Vs，用于设置所要求的IC地址，该引脚不能悬空。引脚6和引脚7分别为A1和A0具有与A2一样的功能。引脚8为正电源电压输入，通过0.1uF旁路电容将其旁路到GND。图4 LM75的引脚连接图3.3 Zigbee硬件电路：3.3.1 DRF1605模块型号主要特点DRF1605RS232接口，Debug界面，引出10个IO，二个状态指示
20、灯，TEST，RESET 3.3.2 DRF1605的电气参数 1.电气参数：输入电压：DC 3.3V温度范围：-400C -850C串口速率：38400bps（默认），可设置9600bps, 19200bps, 38400bps, 115200bps。无线频率：2.4GHz无线协议：ZigBee2007 /PRO传输距离：可视距离400 米发射电流：34mA（最大）接收电流：25mA（最大）低功耗模式：用户可定制低功耗模块（标准模块没有此功能）接收灵敏度：-96DBm主芯片：CC2530F256，256KFLASH，TI公司最新一代ZigBee SOC芯片可配置节点：标准数传模块可配置为Co
21、ordinator，Router。3.3.3 内部结构及管脚定义：DRF1605与扩展口电路连接主要在J2引脚模块上，J2的第1引脚为复位键，第4引脚功能为接受数据，第5引脚则为传送数据。第6引脚为清除发送，第7引脚为请求发送，第10引脚连接一个二极管用于表示是否正在工作，第11引脚接地，第12引脚为3.3V电源输入引脚。具体引脚定义如图5所示。 图5 DRF1605内部结构及管脚定义图由上面所介绍的DRF1605的管脚定义，可以知道用扩展口的2或者4与DRF1605 J2中的第12引脚相连，即把传输模块接入了3.3V的电源；把扩展口的6或者8与DRF1605中的第11引脚相连，即接地。具体D
22、RF1605的外扩展连接电路如图6所示。 图6 DRF1605的外扩展连接电路图四 ZigBee无线传输模块软件的设计4.1 Zigbee 网络的节点形态Zigbee 网络具有三种网络形态节点：Coordinator（中心协调器），Router（路由器），End Device（终端节）。三个网络形态节点的功能分别如下：（1）Coordinator（中心协调器）的功能：用来创建一个Zigbee 网络，当有节点加入时，分配地址给子节点，Coordinator 通常定义为不能掉电的设备，没有低功耗状态，适用模块DRF1601，DRF1602，DRF1605。每个Zigbee 网络需要且仅需要一个Co
23、ordinator，不同网络的PAN ID（网络ID 号）应该不一样，如果在同一空间存在二个Coordinator，如果它们初始的PAN ID 一样，则后上电的Coordinator 的PAN ID 会自动加一，以免引起PAN ID 冲突。（2）Router（路由器）的功能：负责转发资料包，寻找最适合的路由路径，当有节点加入时，可为节点分配地址，Router 通常定义为具有电源供电的设备，不能进入低功耗状态，适用模块DRF1601，DRF1602，DRF1605。每个Zigbee 网络可能需要多个Router，每个Router 可以收发数据也可以转发数据，当一个网络全部由Coordinator
24、（1个）及Router（多个）构成时，这个网络才是真正的MESH 网络（网状网），每个节点发送的数据全部是自动路由到达目标节点。（3）当一个ZigBee 网络形成后（MESH 网络）后Router 获得的地址（Short Address）是不变的，可作为点对点数据传输的地址使用；即使Coordinator 掉电，Router 仍然在保持网络，所以Router 与Router 之间仍然能够通讯；即使Coordinator 掉电，当有新的节点加入时，仍然能够通过现有的Router 获得地址，加入网络。4.2 Zigbee MESH（网状网）的特点:（1）网络由1个Coordinator 加n个Ro
25、uter 组成。（2）每个节点既能收发数据，也能充当路由，转发数据。（3）网络内任意节点之间都能通讯，即使其它节点全部断电（包括Coordinator），这二个节点间也能通讯。（4）网络内的每一个节点（Coordinator，Router）均具有网络保持功能，只要有一个节点是运行的，则新的节点可通过这个节点加入网络。（5）节点加入后，自动获得Zigbee 网络分配的地址，并保持该地址不变。（6）路由的计算是自动的，转发的数据并不依赖于是通过哪个节点加入网络。4.3 Zigbee 模块的数据传输DRF1605 Zigbee 模块数据传输功能非常简单易用，有二种数据传送方式：（1）数据透明传输方式
26、。只要传送的第一个字节不是0xFE，0xFD 或 0xFC，则自动进入数据透明传输方式；Coordinator从串口接收到的数据，会自动发送给所有的节点；某个节点从串口接收到的数据，会自动发送到Coordinator。（2）点对点数据传输方式。Zigbee网络内的任意节点之间，可通过点对点传输指令，传送数据；指令格式为0xFD + 数据长度 + 目标地址 + 数据。4.3.1 数据透明传输： （1）只要传送的第一个字节不是0xFE，0xFD 或 0xFC，则自动进入数据透明传输方式。（2）Coordinator从串口接收到的数据，会自动发送给所有的节点；某个节点从串口接收到的数据，会自动发送到
27、Coordinator。这种传送方式的直观图如图7所示。而某个节点发送数据到Coordinator的传输直观图如图8所示。（3）任意一个节点与Coordinator之间，类似于电缆直接连接（大部分情况下，可用1个Coordinator，1个Router直接代替一条RS232电缆。（4）支持数据包变长（无需设置），最大不超过256字节/数据包，一般应用建议每个数据包32字节之内。图7 Coordinator发送数据至所有节点的直观图 图8 节点发送数据到Coordinator的传输直观图4.3.2 数据透明传输的性能：（1）随着模块之间的传输距离增加，传输速率会降低。（2）Coordinator
28、 发送到Router 是广播方式发送，传输速率会比较慢。（3）一般应用，建议每个数据包32 字节，间隔200-300ms 传输。数据传输的具体要求如图9所示 图9 数据透明传输的具体要求4.3.3 点对点数据传输方式：发送指令格式：数据传送指令（0xFD）+ 数据长度+ 目标地址+ 数据（最多32 Bytes）数据长度在32 字节内支持变长。具体格式如图10所示 图10 数据传输指令格式图FD：数据传输指令0A：数据区数据长度，共10 个字节14 3E：目标地址01 02 03 04 05 06 07 08 09 10：数据4.3.4
29、 接收数据格式：接收到发送方的全部数据，并在最后增加来源地址（二个字节）接收数据格式图如图11所示图11 接收数据格式图FD：数据传输指令0A：数据区数据长度，共10 个字节14 3E：发送方的目标地址，接收方本身地址01 02 03 04 05 06 07 08 09 10：数据50 F5：发送方的地址，即数据来源地址点对点数据传输可在网络内任意节点之间进行：（1）即使Coordinator断电，也可在Router之间通过点对点指令传输。（2）Router加入网络后，地址（Short Address）不会发生改变。（3）长度字节一定要等于数据区数据长度，否则数据传输出错（当成透明传输，发送给
30、了Coordinator）。（4）数据区数据最多32字节，否则数据传输出错（当成透明传输，发送给了Coordinator）。（5）目标地址 = FF FF，则为广播发送，会发送至网络内所有节点；目标地址 = 00 00，则发送给Coordinator。点对点数据传输性能要求如图12所示，而点对点直接数据传输的直观图如图13所示。 图12点对点数据传输性能要求图 图13 点对点数据传输直观图 4.4 程序流程图程序流程图见图14所示： 图14程序流程图在主程序开始初始化了整个工程中用到的变量。然后程序调用了传感器程序，在传感器程序中首先进行了初始化I/O口，然后判断转换是否完成，如果转换完成则进
31、入ZigBee程序；若未完成转换则清看门狗继续循环。进入ZigBee程序后，若接受完一帧后变根据信息对其解析，按照内容运行不同的程序段后判断ZigBee是否完成数据的接收，若完成则将消息送入上位机，否则重新进行数据的接收；若接收未完成一帧则直接判断ZigBee是否完成数据接收，如数据已接收则将其送入上位机显示；如未接收则重新检查是否接收一帧。4.5 传输模块A/D转换程序设计 本文件实现ADC模块的基本功能，设置ADC1的常规转换序列包含CH10和CH16(片内温度传感器）；设置了连续转换模式，并使用DMA传输；AD转换值被放在了AD_Value2数组内，0保存CH0结果，1保存CH16结果；GetVolt函数计算0的值对应的电压值（放大100倍，保留2位小数）；GetTemp函数计算1的值对应的温度值，计算公式在相应函数内有说明。详细程序见附录。5 设计成果及系统调试5.1 调试软件简介本设计采用嵌入式 IAR Embedded Workbench IDE调试软件。它提供一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，这些工具包括：1 高度优化的IAR AVR C/C+编译器；2 AVR IAR 汇编器；3通用 IAR XLINK Linker；4IAR XAR 库创建器和 IAR XLIB Librarian；5一个强大的编辑器；6 一个工程管理器；7 TM IAR
