1、 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 I基于 ZigBee 的无线语音传输系统的设计摘要：ZigBee 技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。其主要特性包括：具有多跳传送（multi-hop relay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。在无线传感网络的应用中，声音也是一种传感量，传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求，所以本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee 的应用环境，提出实现语音通信的研究课题。本课题设计了基于 CC2430 芯片的 Zigbee 硬件模块，经过了解，在空旷环境下的视距传输距离大约 30 米；在此基础上
2、设计了基于 IEEE802.15.4 的语音通信系统方案，开发了硬件试验平台，用以研究短距离的无线语音通信技术。语音通信方案充分利用 CC2430 SoC 的性能特点，使用芯片内部的 ADC 和 APR9600 完成语音采样及回放，无需外部的语音编解码器件且使用的外围器件很少。系统可以很好地实现实时语音无线传输，发射功率小于 0 dBm，语音延时小于 25ms，传输距离达到 15米，音质 MOS 测试分达到 3 分以上。该方案硬件简单，成本低廉，功耗很低，可应用于矿井井下生产、无线传感器网络、消防、安全监控领域，拓展了IEEE802.15.4 应用范围。关键词：IEEE802.15.4； Zi
3、gBee； CC2430； APR9600； 无线语音通信中北大学信息商务学院本科生毕业论文 IIBased on ZigBee wireless voice transmission system designAbstract：ZigBee technology is a kind of short, low complexity, low power consumption, low rate, low cost wireless network technology. Its main features include: with multiple hops transmission (
4、multi - hop relay) mechanism, extend the network performance is good, layout easily and has since organization and the self-repairing ability. In wireless sensor network applications, the audio is also a kind of sensor volume, transmission sampling voice data is the basic requirement of voice sensin
5、g, so this paper the application of IEEE802.15.4 / ZigBee proposed realize voice communication environment, the research subject.This topic was designed based on the CC2430 chip Zigbee hardware modules, after understanding in open environment, the transmission distance stadia about 30 meters; On the
6、 basis of IEEE802.15.4 designed on the basis of voice communication system solutions, developed hardware test platform to study the sprint wireless voice communications technology. Voice communications plan make full use of CC2430 SoC performance characteristics, use chip APR9600 completed internal
7、ADC and speech sampling and playback, without external voice codec pieces and use of peripheral devices seldom. System can well realize real-time speech wireless transmission, transmission power, less than 0 dBm 25ms speech delay, the transmission distance to less than 15 meters, timbre MOS test poi
8、nts to three points. The scheme hardware simple and low cost, low power consumption, and can be used to mine production, wireless sensor network, fire control, safety monitoring field, expand the scope of IEEE802.15.4 application.Keywords: IEEE802.15.4， ZigBee, CC2430, APR9600, wireless voice commun
9、ication中北大学信息商务学院本科生毕业论文 III目录第一章 绪论 .11.1 选题的背景 .11.2 国内外的研究现状 .21.2.1 无线传感网络国内外应用现状 .21.2 .2 Zigbee 技术国内外发展现状 .31.3 生产需求状况 .31.4 研究目的和意义 .41.5 本论文的研究内容 .5第二章 Zigbee 协议栈结构和原理 .62.1 Zigbee 协议栈概述 .62.2 ZigBee 网络体系 .72.2.1 两种功能类型设备 .72.2.2 三种节点类型 .82.2.3 三种网络拓扑结构 .82.2.4 两种工作模式 .92.3 IEEE 802.15.4 通信层
10、 .92.3.1 载波信道和频率的描述 .102.3.2 物理层(PHY)数据包的格式 .102.4 介质接入控制子层 MAC.112.4.1 MPDU 数据单元的处理 .112.4.2 MAC 层数据的传输 .122.5 Zigbee 网络层 .152.5.2 组网管理 .172.5.3 Zigbee 路由算法 .18第三章 CC2430 模块的硬件设计 .243.1 Zigbee 芯片的描述 .24中北大学信息商务学院本科生毕业论文 IV3.2 CC2430 无线单片机介绍 .253.2.1 CC2430 芯片的主要特点 .253.2.2 CC2430 芯片的引脚功能 .283.2.3 C
11、C2430 芯片的典型电路应用 .293.3 CC2430 模块硬件设计与实现 .303.3.1 CC2430 模块的电路图 .303.3.2 硬件方面的设计 .303.4 软件设计 .343.4.1 IAR 开发环境简介 .343.4.2 ADC 参数配置 .353.4.3 使用 TI-MAC 协议栈进行语音传输 .36总结 .39致谢 .40主要参考文献 .41中北大学信息商务学院本科生毕业论文 1第一章 绪论1.1 选题的背景Zigbee是一种短距离、低速率无线网络通信技术，其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，在此基础上通过软件协议栈发展出易布建的大容量、不依赖现有
12、通信网络和现有电力网络的无线网络。Zigbee在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景。数据传输速率低。只有10kbs250kb/s，专注于低传输应用。在休眠状态下耗电量仅仅只有1W ，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严
13、重的制约，从而将严重地制约WSN 的强大功能。 每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。由于WSN 的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，WSN 的功能越强大。所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。有效覆盖范围在 1075m之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩小节点RF 模块的覆盖范围。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲） 及915MHz （美国），均为免执照频段，具有16个扩频通信信道。相应
14、的，WSN采取2.4GHZ工作频段的特性将会更有利于WSN 的发展。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持CRC和AES128。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。总结Zigbee有以下优点：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
15、及 的 。 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美中北大学信息商务学院本科生毕业论文 2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 。 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 信 道 接 入 的 时 延 为 15ms。 因 此 ZigBee技 术 适 用 于 对 时
16、 延 要 求 苛 刻 的 无 线 控 制 (如 工 业 控 制 场 合 等 )应 用 。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 。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
17、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 。 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的 加 密 算 法 ,各 个 应 用 可 以 灵 活 确 定 其 安 全 属 性 。ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。因而它的应用目标主要是：工业控制（
18、如自动控制设备、无线传感器网络）、医护（如监视和传感）、家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警）、消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。1.2 国内外的研究现状1.2.1 无线传感网络国内外应用现状军用领域：国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络项目有遥控战场传感器系统（Remote Battlefield Sensor System）、网络中心战（NCW ）及灵巧传感器网络（SSW）、智能尘（ smartdust）、Intel mote、Smart-Its项目、Sensor IT、行为习性监控（Habitat Monitoring ）项目。Sensor IT 项目探索了如何将
19、 WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。民用领域：美日等国家利用该技术对多种领域进行了应用 2：英特尔与加利福尼亚州大学伯克利分校合作针对微尘技术进行研究，并于2002年将传感器网络技术应用到大鸭岛海燕生活习性监测项目。日立制作所与YRP泛在网络化研究所于2004年11月24日宣布开发出了全球体积最小的传感器网络终端，作为安装电池的有源无线终端，可以搭载温度、亮度、红中北大学信息商务学院本科生毕业论文 3外线、加速度等各种传感器。设想应用于大楼与家庭的无线传感器以及安全管理方面。三菱电机2004年9月29日宣布成功试制出了支持近距离无线通讯技术ZigBee的无线传感器。在旧金山
20、，科学家将200多个Mica2节点部署在金门大桥组成WSN ，用以监测大桥从一端到另一端的摆动幅度，从而及时发现大桥隐患。国内现状：我国无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年中国科学院上海微系统联合声学所、微电子所、半导体所等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通讯技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。1.2 .2 Zigbee 技术国内外发展现状 2004年底由ZigBee联盟发布了1.0版本规范的ZigBee协议，2006年11月发布了1.1版本规范。世界上有八家支持ZigBee联盟的创始者企业，即Chipcon、Em
21、ber、Freeseale、Honeywell、Mitsubishi、Motorola、PhiliPs、Samsung。ZigBee联盟企业包括有 IC供应商、无线IP提供商、 OEM厂商、测试设备制造商、最终产品制造商等，提供ZigBee适用的产品和方案。到2005年4月，已有Chipcon、Freescale、CompXs 、Ember四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。飞思卡尔推出全球首个符合ZigBee标准的平台，制造商现在能够将ZigBee技术用于传感和监控应用。中国市场，华为、海尔等中国OEM公司也加入了ZigBee联盟，许多院所展开了对ZigBee的研究
22、。ZigBee在中国的应用也愈加广泛。例如以海尔的U-HomeWireless Network为代表，包括通过Internet、电话、手机或进行家庭监控、无线网关控制等。同时许多企业也在进行ZigBee相关产品的开发工作，有代表性的企业有上海顺舟网络科技有限公司 3、成都无线龙通讯科技有限公司等 4。1.3 生产需求状况为了推动ZigBee技术的发展，Chipcon 与Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee Alliance，目前该联盟已经包含130多家会员。该联盟主席Robert
23、F.Haile曾于2004 年11月亲自造访中国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。中北大学信息商务学院本科生毕业论文 4这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee的快速发展可以说是有些令人始料不及的，从2004年底标准确立，到2005年底相关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元，应该说比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi-Fi进展都要快。ZigBee技术在ZigBee 联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在
24、未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。随着二十一世纪社会经济和现代科技的迅速发展,人们对能够随时随地提供信息服务的无线通信的需求越来越迫切。 短距离无线通信技术作为成为无线通信技术领域的一个重要分支,在诸多无线数据传输中的应用已经越来越广泛。Zigbee 的出现 ,填补了短距离数据通讯的低成本解决方案空白,促成了它应用的广阔前景.据调查，2005年时，zigbee芯片销量只达到约1000万元美元，而08年就已经达到约6000万美元，预计2012年可达到32000万美元，复合增长63%。通过这些数据，我们可以看出zigbee的需求量是比较庞大的。 1.4 研究目的和意义Zig
25、Bee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术，它依据IEEE 802.15.4 标准，在数千个微小的传感器之间通过相互协调来实现通信，其主要特性包括：具有多跳传送（multi-hop relay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。由于ZigBee技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等许多优点，很多研究机构将其作为无线传感器网络的通讯标准。传统上ZigBee主要应用于家庭自动化、工业自动化、库存管理、产品质量控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域，其传输的数据为非实时数据。无线语音通信则属于即时数
26、据传输，虽然实现无线语音通信不是ZigBee标准最初的目标，但在许多领域中如果没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限；另一方面，在有紧急需求和布置不易环境下（如矿井井下救援、消防抢救），ZigBee具有其他通信技术难以替代的优势，如能利用ZigBee网络进行双向语音传输则具有非常大的实用价值；同时，在无线传感网络的应用中，声音也是一种传感量，传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求。所以本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee的应用环境，提出实现语音通信的研究课题。中北大学信息商务学院本科生毕业论文 51.5 本论文的研究内容主要研究内容包括以下几点：根据IEEE802.15.
27、4标准及ZigBee，开发低成本的ZigBee无线模块为了实现语音的正常传输，我们通过芯片APR9600进行接受和处理研究基于ZigBee的无线语音传输系统的设计中北大学信息商务学院本科生毕业论文 6第二章 Zigbee 协议栈结构和原理2.1 Zigbee 协议栈概述Zigbee 协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。Zigbee协议栈的体系结构如图 2.1所示，它虽然是基于标准的 7层开放系统互联
28、（OSI）模型，但仅对那些涉及Zigbee 的层予以定义。IEEE 802.15.42003标准定义了最下面的两层：物理层（PHY ）和介质接入控制层（MAC）。Zigbee 联盟提供了网络层和应用层（APL）框架的设计。其中，应用层的框架包括了应用支持层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）及由制造商制定的应用对象。图 2-1 Zigbee 协议栈的体系结构相比于常见的无线通信标准，Zigbee 协议套件经凑而简单，具体实现的要求很低。Zigbee联盟希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网，它预言Zigbee 将很快成为全球高端的无线技术，2007年Zigbee 节点达到 30亿个。具有十几亿节点的网络将很快耗尽已不够用的IPv4地址空间，因此IPv6与IEEE 802.15.4结合是传感器网络的发展趋势。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。在IEEE 502.15.4中总共分配了27 个具有3种速率的信道；2.4GHz 频段有16个速率为250Kb/s的信道；915MHz频道有10个40Kb/s的信道；868MHz频段有1个20Kb/s
