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基于C8051F040单片机+CC2530+DS1302的ZigBee停车场短信寻车系统的设计方案

来源： chinaaet

2020-07-09

类别：通信与网络

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拍明

原标题：基于ZigBee停车场短信寻车系统的设计方案

　　摘要：基于ZigBee停车场短信寻车系统实现了将车辆在停车场所停的位置通过短信发送给车主，方便车主离开停车场后快速找到自己的车辆。该系统采用ZigBee设计，功耗低、便于安装和维护。相对于采用485或CAN总线，ZigBee不需要花费大量时间在布各种总线上，且对于已经使用的停车场，不需要布线就能够快速的安装和使用。

　　随着经济的发展以及技术的进步，现代停车场逐渐向多空间、多功能、智能化方向发展，相应的停车场管理系统也应用而生，例如区域车位引导系统、刷卡系统和自动车型区分收费系统等。当停车场空间较大，停车车位较多时，车主会很容易忘记车辆所停位置，从而浪费一些时间在寻找车辆上。停车场短信寻车系统能够将车辆所停位置信息通过短信方式发送给车主，从而方便车主寻车。考虑到现代停车场空间大、车位多，用传统的485或CAN方式将浪费大量的时间在布485总线或CAN总线上，且一旦总线出现问题整个系统将瘫痪，所以该停车场短信寻车系统采用ZigBee无线传输方式。ZigBee定义了3种网络节点形式，分别是网络协调器’节点(Coordinator)、路由器节点(Router)和终端节点(End Device)。网络终端节点用于发送手机号码和其对应的地址信息;路由器节点用于将终端节点模块发送的信息转发给协调器;协调器节点负责网络的建立、网络地址的分配以及接收路由器模块和终端节点模块发送来的信息。由于采用无线形式，终端节点模块可以很方便地安装在停车场的各个角落，且ZigBee采用自组织网络通信，当一个终端节点模块出现问题时，不会影响整个系统的运行，同时该停车场短信寻车系统具有功耗低，操作简单和便于维护的特点。

　　1 停车场短信寻车系统的工作原理

　　停车场短信寻车系统的总体结构图如图1所示。当车主在停车场停好位置后，通过终端节点的键盘输入自己的手机号码，按发送键后终端节点会将手机号码和终端节点的地址信息无线发送给距离最近的路由器或协调器，路由器接收到信息后会转发给协调器，当协调器接收到路由器或终端节点发送的信息时会进行地址匹配，然后发送一条包含车位所在的区域和如何从入口到达该位置的短信到车主的手机号码上，从而实现短信寻车。

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　　2 终端节点模块的设计

　　终端节点模块由CC2530、按键电路、显示电路和时钟电路等构成。CC2530是TI公司以C51为内核的ZigBee芯片，它支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准，提供101 dB的链路质量，具有优秀的接收器灵敏度和强大的抗干扰性，同时具有低功耗、低成本、低速率、时延短、高容量、高安全等特点，其传输距离在10～100 m，在增加RF发射功率后，传输距离可达1～3 km。

　　按键电路采用3x4的矩阵键盘，用于输入0到9、删除和发送;时钟电路采用DS1302。DS1302接口简单、使用方便、功耗低，只需添加少许程序就可以在显示电路上显示时间;显示电路采用串口通讯12864，12864能显示4行，每行显示16个字符，完全满足显示11位手机号码、时间和日期等。终端节点模块的CC2530连接电路图如图2所示。

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　　CC2530所用的协议栈为ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，编程软件版本为IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A，这里需要把CC2530的设备类型设置成网络终端节点，并在协议栈中添加LCD显示子程序、矩阵键盘子程序、1302读写子程序和时间校准子程序，并更改协议栈中的子程序SampleApp_SendFlashMessage()的发送内容。当车主在终端节点模块上输入手机号码，按发送键后程序会调用Sample App_Se nd Flash Message()，把手机号码和地址信息发送给距离最近的协调器或路由器。

　　3 路由器模块的设计

　　考虑到路由器模块距终端节点模块较近，离协调器模块较远，单独使用CC2530作为路由器模块可能会出现数据的丢失，由于CC2591的传输距离可达1～3 km，所以这里采用CC2530+CC2591构成。当路由器模块接收到终端节点发送的信息时，会把信息转发给协调器;当接收到协调器发送来的反馈信息时，会转发给对应的终端节点，所以路由器主要起到中继路由的作用。路由器模块的CC2591连接电路图如图3所示。

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　　这里需要把CC2530的设备类型设置成网络路由器节点，则在ZigBee协议栈中只需要更改应用层事件处理函数SampleApp_ProcessMSGCmd(aflncomingMSGPacket_t*pkt)，使其在接收到信息后调用SampleApp_SendFlashMessage()，把接收到的信息发送出去即可。

　　4 协调器模块的设计

　　协调器由CC2530、C8051F040、NANDFLASH、DS12887、1602和GSM模块组成。由于普通的51 单片机只有1个串口，无法满足设计的要求，所以这里采用C8051F040，C8051F040有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32KB的FLASH存储器，2个UART口，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核。C8051F040的串口0与CC2530相连，用于接收CC2530发送的手机号码和地址信息;串口1与GSM模块，用于发送地址信息到对应的手机号码上。NANDFLASH用于保存停车场各个区域的地址和如何从入口到达该地址的说明。DS12887高精度时钟芯片用于显示时间和日期，同时对各个终端节点的时间进行校准，当时间为00时00分00秒时，C8051F040会发送校准命令给CC2530，由CC2530通过ZigBee发送给各个终端节点，从而实现校准各个终端节点的时间为00时00分00秒。C8051F040采用Keil C51编程，包含单片机初始化程序、1602显示子程序、NANDFLASH读写子程序、串口0接收子程序、时钟程序、时间校准子程序和串口1接收子程序。协调器模块的显示电路和存储电路如图4所示。

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　　协调器模块的CC2530的设备类型为网络协调器节点，在ZigBee协议栈中需要添加串口发送子程序和串口接收子程序，同时需要在ZigBee协议栈中更改协议栈中的应用层事件处理函数SampleApp_ProcessMSGCmd(afIncomingMSGPacket_t*pkt)，使其在接收到信息后调用串口发送子程序把信息发送给C8051F040。当串口接收到C8051F040发送的时间校准命令时，调用串口接收子程序，使CC2530以广播的形式把校准命令发送给各个终端节点模块。

　　协调器模块是整个停车场短信寻车系统的核心部分，起到接收终端节点发来的地址信息和手机号码，并对接收的地址信息进行比对，比对后把对应的地址信息的短信通过GSM模块发送给车主。例如当协调器模块接收到终端节点为0x01、手机号码为13800000000的信息时，会进行地址比对，比对后将保存在NANDFLASH中所对应的短信“尊敬的客户，您好，您所停车位为A00-A09，从1号电梯向右50 m可到达该位置”发送到13800000000的手机号码上，从而实现短信寻车。

　　5 结束语

　　基于ZigBee停车场短信寻车系统实现了将车辆在停车场所停的位置通过短信发送给车主，方便车主离开停车场后快速找到自己的车辆。该系统采用ZigBee设计，功耗低、便于安装和维护。相对于采用485或CAN总线，ZigBee不需要花费大量时间在布各种总线上，且对于已经使用的停车场，不需要布线就能够快速的安装和使用。

c8051F040

　　Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了8位单片机控制系统的发展方向。

　　基本信息

　　芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。

　　C8051F040是高度集成的混合信号SoC级微控制器芯片，具有与8051单片机兼容的高速CIP-51微控制器内核，除了标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件及其它一些数字外设部件。

　　基本功能

　　(1)增强型8051CPU-CIP-51微控制器

　　C8051F040单片机系统控制器的内核采用CIP-51微控制器，它与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART串行接口、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8个8位宽的I/O端口。

　　(2)速度提升

　　CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111条指令。CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时，其峰值性能达到25MIPS。下表列出了指令条数与执行

　　时所需的系统时钟周期数的关系：

　　(3)功能改进

　　C8051F040系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于最终应用。标准8051只有7个中断源，C8051F04x系列MCU通过对内核中断系统的扩展，可向CIP-51提供20个中断源。允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。

　　MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR0输入引脚及/RST引脚。/RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止。

　　(4)其他设备

　　◆控制器局域网(CAN2.0B)控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有其自的标识符;

　　◆全速、非侵入式的在系统调试接口(片内);

　　◆100 ksps的12位ADC，带PGA和8通道模拟多路开关;

　　◆允许高电压差分放大器输入到12位ADC(60V峰-峰值)，增益可编程;

　　◆500 ksps的8位ADC，带PGA和8通道模拟多路开关;

　　◆两个12位DAC，具有可编程数据更新方式;

　　◆64KB的可在系统编程的FLASH存储器;

　　◆4352(4K+256)字节的片内RAM;

　　◆可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口;

　　◆硬件实现的SPI、SMBus/I2C总线接口;

　　◆具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列;