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15 蓝牙技术>,等于300030002兼容性:与现有的控制网络标准无缝集成.通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用CSMA-CA方式进行信道存取.为了可靠传递,提供全握手协议. 安全性:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时各个应用可以灵活确定其安全属性,是网络安全得到有效的保障. 实现成本低:模块的初始成本估计在6美元左右,很快就能降到1.5~2.5美元,且Zigbee协议是免专利费的. 协议套件紧凑而简单:其具体实现的要求很低.Zigbee协议套件的需求估计:8位微处理器,如80C51[10],全协议套件软件需要32K字节的ROM,最小协议套件软件大约4K字节的ROM. 2.2.2ZigBee协议存在的问题及解决方案 802.15.4标准是ZigBee协议的基础,用它实现无线数据采集,主要有以下两个问题: 1,网络内传感器节点时钟需要同步,监控系统的多传感器信息融合时,上位机需要知道每个原始数据是何时采集的,采样的触发要求每个节点有统一的时钟, 2,其通信速率较低,而且又受到接口通信速率的限制,加之受纠错码的编码效率影响,真正的数据发送量是很低的. 解决此问题可以通过如下的途径:传感器节点采用DSP处理器,尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作,尽量减少原始数据的发送量,只发送有用信息.例如,对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中,只发送可
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2.3基于ZigBee协议的芯片[1][4][5]
2002年8月ZigBee联盟成立时Honeywell,Invensys,三菱电器,摩托罗拉和飞利浦等国际上知名的大公司就是ZigBee协议的支持者.目前,ZigBee已经吸引了上百家芯片研发公司和无线设备制造公司,并且不断有新的公司加盟这一联盟.现在国际上有很多公司生产基于ZigBee协议的芯片,芯片的集成度也越来越高.例如挪威的Nordic公司的nRF系列芯片,还有Chipcon公司的无线数据传输芯片等.各个公司的芯片原理基本相同,编程规则大致相同,因此选用Nordic公司的nRF2401,下面详细叙述一下nRF2401芯片的特点. nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在2.4GHZ自由频段,能够在全球无线市场畅通无阻.nRF2401支持多点间通信,最高传输速率超过1Mbit/s,而且比蓝牙具有更高的传输速度.它采用SOC方法设计,只需少量外围元件便可组成射频收发电路.与蓝牙不同的是,nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信.更重要的是,nRF2401比蓝牙产品更便宜.所以nRF2401是业界体积最小,功耗最少,外围元件最少的低成本射频系统级芯片. nRF2401的引脚排列如图2.2(顶视图)所示.它采用5mm×5mm的24引脚QFN封装.nRF2401的主要特点如下: 图2.2nRF2401的引脚排列
(1)采用全球开放的2.4GHZ频段,有125个频道,可满足多频及跳频需要, (2)速率(1Mbps)高于蓝牙,且具有高数据吞吐量, (3)外围元件极少,只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路, (4)发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置, (5)电源电压范围为1.9-3.6V,功耗很低, (6)电流消耗很小,-5dBm输出功率时的典型峰值电流为10.5mA, (7)芯片内部设置有专门的稳压电路,因此,使用任何电源(包括DC/DC开关电源)均有很好的通信效果, (8)每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址,而且只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示),同时编程也很方便, (9)内置CRC(CyclicRedundancyCheck,循环冗余校验)[16]纠检错硬件电路和协议, (10)采用DuoCever技术可同时接收两个nRF2401的数据, (11)采用ShockBurstTM模式时,能适用极低的功率操作和不严格的MCU执行, (12)无需外部SAW滤波器, (13)可100%RF检验, (14)带有数据时隙和数据时钟恢复功能. nRF2401的内部结构原理及外部组成框图如图2.3所示,下面介绍其工作原理.
图2.3nRF2401的内部结构原理及外部组成框图
1ShockBurstTM[16]模式 nRF2401的ShockBurstTM模式采用片上FIFO(First-InFirst-Out,先进先)出来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输,因此极大的降低了功耗. ShockBurstTM发射主要通过MCU接口引脚CE,CLK1和DATA来完成.当MCU请求发送数据时,置CE为高电平,此时的接收机地址和有效载荷数据作为nRF2401的内部时钟,可用请求协议或MCU将速率调至1Mbps,置CE为低电平可激活ShockBurstTM发射. ShockBurstTM接收主要使用MCU接口引脚CE,DR1,CLK1,DATA来实现.当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后,置CE为高电平可激活RX.此后便可在nRF2401监测信息输入200μs,若收到有效数据包,则给MCU一个中断并置DR1为高电平,以使MCU以时钟形式输出有效载荷数据,待系统收到全部数据后,nRF2401再置DR1为低此时如果CE保持高电平,则等待新的数据包.若CE置低电平,则开始接收新的序列 nRF2401的DuoCeiverTM[17]技术为RX提供了两个独立的专用数字信道,因而可代替两个单独接收系统.图4所示是DuoCeiverTM同时双接收信道结构图.nRF2401可以通过一个天线接口从相隔8MHZ的两1Mbps接收机上接收数据.同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的MCU接口.具体的两个信道如下: 图2.4DuoCeiverTM同时双接收信道结构图
数字信道1:CLK1,DATA,DR1, 数字信道2:CLK2,DOUT2,DR2, 应当说明的是,数字信道2的频率只有在比数字信道1的频率高出8MHZ时,才能保证正常接收.
第三章基于ZigBee协议的硬件系统的设计及实现 目前,51系列单片机非常流行,而且资
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