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DIY微功耗基础无线网络

作者:深圳无线龙科技有限公司 邱先生 来源:RFID世界网 2009-08-25 09:46:18

摘要:本文介绍了一种微功耗基础无线网络的DIY方法。

关键词:ZigBee[23篇]  单片机[16篇]  无线网络[6篇]  DIY[0篇]  

一、一个DIY 老兵心愿 

  记得和无线电第一次亲密的接触,还是30多年前的事情,那时我还在孩童时代,记得课余时间,自己动手第一次学装收音机,我买来各种零件,虽然还不能明白其中的原理,甚至也搞不清楚零件的用途,只知道长长的那个叫“磁棒”,可以调节那个玻璃管叫“矿石”,还要个可以旋转金属部件的叫“可变电容器”,我将这些零件,按接线办法(那时不懂什么是电路原理图)连接在一起,居然做成了一台自己的收音机,接上电池,拉上长长的天线,我居然成功了,接收到了来自远方的广播电台的广播…..当我聆听着这由无线电波传输的声音,感到如痴如醉,也感到这个自己组装的小盒子是那样的神秘,那么深奥,那么广阔….. 后来我和千百万那个时代的青年一样,经历了上山下乡,回城就业,上大学等类似的人生历程,也只好暂时告别了和无线电的那段情缘。 

  当我大学毕业后,被分配到一家大型国营电子研究所工作的时候,已经是20多年前事情,那时微处理器(单片机)技术还不普及,我开始了自己学习单片机和采用单片机进行设计工作的艰辛学习和实践的历程。虽然单片机(微处理器)那时和无线好像还没有直接关系,但是动手去做硬件电路,设计电路板,开发单片机软件代码,仍然应该是在DIY的范围,事实上我又回到了和无线电的情缘之中。 

  那时单片机的资料很贫乏,也没有互联网,我本人也很“贫困”,买不起昂贵的技术书籍,只好经常偷偷在书店中,用笔抄录相关重要技术资料,自然引来不少店员的“白眼”。在和单片机打交到的日日夜夜里,我被单片机技术高深的背景和巨大的应用前景所吸引,并且为此付出了近似狂热的努力。我常常通宵奋战,为了一个新的电路设计或者为了排除一个软件代码的漏洞,甚至经常在机房和实验室席地而眠….从入门到精通,在经历许多失败和挫折后,我也迎来了职业生涯的丰收时期,我亲手将小小的单片机,安装到了生产车间,对巨大的加热炉进行精确的温度自动控制;也亲手将小小单片机也设计到新一代智能仪器中,成为新一代数字仪表的心脏。我的这一次又一次的设计实践,和电子爱好者们的DIY 实践和实战,没有本质的区别,不断实践,不断学习,不断创新,正是DIY的灵魂! 

  弹指一挥间,几十年过去了,无论是做一个高级电子工程师,高级技术管理人员;还是在大洋彼岸和异国他乡留学学习,在世界一流无线通讯和嵌入式设计企业就职和从事研究工作;还是在回国创立高科技企业,在市场经济中拼搏…….我都没有忘记关注《无线电》,也没有忘记自己是如何从DIY开始,一步一步学习成长和充满艰辛和愉快的里程,总是希望能有一天,能为DIY 做些什么,能为广大电子爱好者做些什么…… 

二、拉一家工厂来“入伙” 

  技术发展,也在不断开拓自己更大的领域,仅仅就新兴的无线通讯领域而言,就有模拟广播,数字广播,数字通讯,无线网络,卫星通讯,业余无线通讯等等领域。在互联网技术高速发展的同时,最近几年短距离微功耗无线通讯,个人区域网络,无线传感器网络等新兴技术,异军突起,高速发展,涌现出一大批新的技术,包括ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等等,也涌现出很多使用这些技术的成功产品,如日本任天堂公司最新的风靡全球的Wii无线遥控动作游戏机等。这样的新技术和产品的出现,必将改变我们的生活,无线无处不在,他将必然给无线电这个名词,带来新的含义;也必然将影响到电子DIY的生态。 

  为什么在这些新兴无线技术发展热火朝天的时候,我们DIY市场对这些新兴技术却如此冷漠?我个人认为主要原因是: 
  1、高频设计,特别是高达2.4GHZ的高频设计,需要更多的专业知识。 
  2、零件愈来愈小,像QFN、LGA 等微型封装的零件,0402/0201封装的电阻、电容、电感等元件,都只有在显微镜下才能看清楚,已经不能或者很难使用普通焊接工具自己手工焊接,而无线网络要求必需要这样的封装。 
  3、软件设计更加复杂,特别是无线网络协议栈,抗干扰,抗冲突,自组织,路由算法,低功耗等,涉及更多高级的知识和经验。无线网络需要实现多个微控制器间(几个到几千个)通过无线连接,实现组网工作,和目前主要采用一个单片机,控制外围的DIY,有本质区别,也更加困难。 

  我认为DIY需要向高智慧化方向发展,从自己拿烙铁,将一堆零散的零件,焊接组装到一起,逐步过渡到由专业化工厂,专门根据DIY的特点,设计生产适合DIY特点的套件,然后让广大电子爱好者集中在软件开发上进行DIY,进行创造性的,个人化的设计。这是因为以单片机和微控制器为核心的新一代电子技术,核心是单片机软件,是以C语言为核心的嵌入式软件设计,在这个方面,可以最大限度的发挥我们人类的智慧,描绘出五彩斑斓的软件世界,给专业化生产的DIY的硬件注入新的灵魂,开发出各种各样的应用,这个改变,是电子DIY的一次创新,将带领DIY进入一个以软件创新为潮流的全新的境界。那么,有没有专业工厂和公司愿意来为我们这些电子爱好者做这样一个开头?不仅要质量好,而且要价格低到人人都可以买得起,显然不是赚大钱的事情。 

  我设计了一个计划,要将最新的低功耗无线网络, ZigBee无线网络,低功耗蓝牙网络,低功耗Wi-Fi网络等等最新技术,都可以陆续做成可以DIY的套件,不仅要具有强大的直观演示能力和软件开发功能,而且容易使用,价格也要低于目前市场上的单片机开发系统,让大家都买得起。  


  
图1 DIYRF-2510
 

  我和深圳无线龙科技的工程师们商议了这个计划,他们非常支持我的想法。这家公司成了四年多,是一批朝气蓬勃的年轻工程师团队,4年来他们其实一直在DIY这个领域,他们提出了“无线单片机”的概念,希望能够将无线网络技术从大公司的实验室里,解放出来,成为每个电子工程师,单片机爱好者自己掌握的技术;他们和北京航空航天大学合作,已经正式出版和发行了9本共约五百万字的《无线单片机丛书》(全国的书店和网上书店都可以容易买到)。更重要的,他们有自己的生产车间,有高精密SMT自动生产线,包括激光定位,视觉定位等功能,专业大量生产高精度无线应用产品和无线模块。 

  说干就干,设计硬件,开发软件,准备生产,一个月奋战,这套低功耗基础无线网络DIY套件就摆在我们面前,如图1所示。这套系统可能和面前市场上的DIY系统完全不同,包含了三个功能: 
  1、普通8051单片机学习功能 ,DIY RF-2510系统包括一个类似JTAG功能的非入侵式高级在线仿真器,在不占用单片机任何资源前提下,实现软件下载,单步,断点和在C语言水平下实时调试功能,支持功能强大的IAR 电子平台C51编译,调试环境。 
  2、全功能基础低功耗无线网络功能展示和测试。 
  3、SimpliciTI无线基础网络软件协议栈学习和开发功能,包括协议栈源代码和表演软件代码;DIYRF-2510系统由一个无线网关(兼作单片机在线仿真器),两个无线节点成套而成,无线节点上有最新传感器和按键,显示功能, 系统全部工作在2.4GHZ 全球免执照频段。 

  更大的惊喜是DIYRF-2510 无线节点和网关板上,都有一个无线模块扩展插座,在插座上扩展上对应的无线模块,就可以容易升级到更高级的无线网络DIY,例如我们下一个专题:DIY ZigBee网络。同时用同样方法,我们也可以容易升级到我们陆续推出微功耗Wi-Fi、蓝牙 DIY专题。 

  大家可能会问,这样一套高级的无线和单片机开发系统,我们买得起吗?回答是:全套系统零售价仅仅为395元人民币!为什么这样廉价,是因为我们拉了一家工厂来“入伙”,充分利于他们的生产能力和零件批量采购能力。我们和一家工厂和高科技公司,一起来将DIY进行到底。 

  目前万事俱备,让我们装上电池,连上USB电缆,开始我们在无线世界的翱翔… 

三、出发前,先热身,学点基础知识 

  在我们出发准备畅游无线网络世界前,我们需要先简单了解一下,相关无线网络的基础。 
  简单而言,最基本的无线网络是由无线节点和网关(也称AP)通过无线电波互联组成,而无线网关和节点的最基本组成单元是单片机加上无线收发芯片组成,随着技术进步,单片机和无线收发芯片被集成到一个芯片中,这个芯片简称为无线片上系统(SoC),我们也简称为无线单片机。DIYRF-2510中,使用的是美国TI公司生产的CC2510无线单片机,该单片机由一个高性能的8051微控制器和一个2.4GHZ的无线收发器集成组成,功能强大,价格低廉,芯片原理见图2所示。

  
  
图2 CC2510无线单片机电路原理图
 

  无线节点和节点间,无线节点和无线网关间,要进行无线网络通讯,必然需要一个大家都明白的通讯规范和约定,这就是无线通讯的协议,DIYRF-2510中使用的无线通讯协议是免费的SimpliciTI 通讯协议,协议非常小,只占了CC2510无线单片机32K闪存中的 ¼ ,大约8K字节。 

  网络间连接的结构,称为网络拓扑(NETWORK TOPOLOGY),SimpliciTI 通讯协议是一种入门级别的通讯协议,只支持基本的星状拓扑,SimpliciTI 的网络拓扑如图3所示。 


  
图3 SimpliciTI 的网络拓扑
 

  DIYRF-2510构架的低功耗无线网络结构图如图4所示。一根USB电缆,连接网关节点到PC机,将网关通过无线网络获得的信息或者PC发出的命令,通过无线网络传输到节点。 

  无线节点板采用标准AAA电池供电,通过网络协议,以自组织方式加入网络,实现将传感器数据和操作信号,通过无线网络传输给无线网关(GATEWAY)。  


  
图4 DIYRF-2510网络结构
 

四、出发上路,体验无线网络的魅力 

  首先你需要安装无线龙DIYRF PC 监控软件,这非常容易,按照说明书的安装流程,很容易就完成了安装,你运行DIYRF 软件,PC会出现下面的图5的欢迎图画: 


  
图5 DIY SimpliciTI无线网络 

  然后从这里将USB电缆接如PC机USB接口。 


  
图6 连接你的网关到PC(USB) 

  点击开始,软件自动会搜索,网关的接口,然后出现下面画面如图7。 


  
图7 网关节点在屏幕中 

  如图8,安装你的无线节点的电池,然后打开电池开关到ON,设定DIP开关在全部关闭-000,你可以看见图9画面。 

 
  
图8 启动你的无线节点 


  
图9 看到你的无线网络中的全部节点
 

  然后你对照说明书,改变PC屏幕上的实验功能和无线节点上的DIP开关,确定进行下面丰富多彩的各种实验,包括无线门铃,无线温度计,无线遥控器,无线红绿灯,无线节能路灯控制,无线游戏摇杆等,如图10所示: 


  
图10 各种无线网络实验
 

五、精彩刺激,无线动作遥控器 

  加速度传感器是最新的动作监控传感器,具有广阔的应用前景,图11是加速度传感器的一些应用领域。 


  
图11 加速度传感器电路原理和应用 

  著名游戏机厂家任天堂公司,采用加速度传感器和无线技术,实现了电子游戏的无线动作传感器,推出了轰动世界的Wii游戏机,DIYRF-2510无线节点板采用最新MMA7660FC加速度传感器,让你体验将自己的动作,传感到无线节点,然后通过基础无线网络,传输到PC,实现精彩刺激的动作游戏,同时让你具有了开发无线加速度传感器应用的可能性。 


  
图12 精彩刺激的动作游戏,使用DIY-2510可以实现 

六、心动不如行动,自己动手做个最简单的无线网络软件和应用 

  看了这些激动人心的应用,可能你会心情激动,希望自己也来动动手,看看自己能不能通过改写软件,实现对低功耗无线网络的控制,DIYRF-2510 为你提供了这样的无限可能。 

  对于已经熟悉8051系列单片机和C51语言的爱好者,可以直接上手下面的实验(对于还不熟悉单片机的爱好者,仍然可以使用系统,从头开始学习8051单片机和C语言,但是你需要入门教材和实验,好在这些东西都可以很快在网络上找到)。 

  对于已经有单片机和C语言的,并且熟悉IAR调试编译工具的爱好者,让我们开始一个简单的低功耗无线网络软件DIY之旅。 DIY目标,使用两个无线节点,不需要PC机,实现相互遥控对方的节点板上的小灯。步骤是: 

  1、安装IAR C51编译软件(需要自己到IAR网站下载评估版本)。  
  2、按如下示意图十三连接仿真器到PC USB 口, 注意这次是不同USB接口。 


  
图13 连接仿真器到PC USB 口
 

  3、根据需要将仿真器分别连接无线节点板,进行下载和调试,首先进行第一号节点,作为AP使用。 
  4、打开工程软件,DIYRF.PRJ 如图14 


  
图14 IAR平台 DIYRF工程文件和和源代码 

  5、你可以在C语言源代码中,修改和定义你使用无线节点上那个按键发射(也可以做你自己的任何修改),然后继续编译,如果提示正确,说明你成功完成编译。 
  6、点击下载(注意当你点击这个键,DIYRF-2510中预先固化表演代码,会完全丢失,如果你需要恢复,可以使用光盘中下载工具,下载HEX代码,恢复表演代码) 
  7、退出下载 
  8、按启动(RESET)开始运行 
  9、仿真电缆连接 2号节点,定义为ED(终端节点) ,然后重复3-8步 
  10、1号 按下你在软件中 定义的按键,对方相应的灯会亮器,在重复一次,对方灯会熄灭;2号也有相同功能。  
  11、实现了一个简单的采用软件修改,实现新的功能。  


  
图15 自己DIY软件代码后,实现无线网络遥控功能
 

  从这里出发,你可以采用软件DIY实现各种高级的功能,如1号板监视温度传感器变化,让无线网络连接2号板远程监视温度变化。又如可以将2号板固定到你的笔记本电脑上,监视加速度传感器,如果有任何移动,2号板通过无线网络,向1号板发出报警信号(LED闪烁等),你也可以在LED控制线上并接蜂鸣器等,进行声音报警,实现笔记本电脑和贵重物品高级无线防盗功能,又如,可以继续增加购买无线节点板,自己建设更复杂的多节点无线传感器网络(SimpliciTI 单个网络最大可以支持255个节点)… 

  总之,DIYRF-CC2510-SDK提供了许多可能,只要你发挥你的智慧,可以变幻出无穷无尽的软件代码和算法,实现你在广阔的无线海洋中,天高任鸟飞,海阔凭鱼跃的梦想。 

七、还愿之旅刚刚启程,期待更多精彩 

  写到这里,这期特别企划将告一段落,也不知道我的还愿之旅的第一步大家是否满意,是否得到鲜花,还是臭鸡蛋?我希望,这只是一个开头。下一期,我们的题目是:《入门 ZigBee 无线传感器网络 》。大家知道ZigBee无线传感器网络技术,是一项建立在 IEEE802.15.4全球个人区域网标准之上的高级网络技术,他具有很多更加神奇的功能 ,例如大型多跳网状(AD-HOC)网络,强大抗干扰能力和高级网络自组织,自管理功能等等…… 我们只要将我们已经有的DIYRF-2510 上,插上DIYRF-2480 ZigBee升级套件(3个无线龙公司生产的LC2480 ZIGBEE无线模块),3 分钟内就顺利简单完成了硬件升级。ZigBee无线传感器网络又向我们展示了一个全新的DIY世界,一个更加五彩缤纷的无线空间正在等待我们。 

  图16是升级后的一个典型无线节点,升级后,这已经是一个具有完整功能的ZIGBEE无线传感器网络节点。 


  
图16 升级后ZigBee无线传感器网络节点
 

  我希望下面能给大家继续带来更精彩的还愿之旅,也给大家带来更多惊奇和乐趣。 

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