【完整版】基于ZigBee技术的无线智能小车软件设计毕业论文

邮电大学

毕业设计（论文）任务书

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基于ZigBee技术的无线智能小车软件设计

摘要

智能化，是现代社会发展到一定阶段的新产物，是以后发展和研究的重点方向。它无需人为管理，可以在一个特点的环境里按照预先设计好的模式自动运行。随着计算机、机械电子、自动化、网络、信息和人工智能等技术的高速发展，智能机器人的研究进入了一个崭新的阶段。随着研究的深入，对智能机器人、无人自主车等领域的各种技术也有了更高的要求。

本次设计的无线智能小车，采用ATmga16单片机作为小车的控制核心；采用ZigBee 来实现上位机与智能小车之间的通讯。本论文重点介绍了QT以及ZigBee技术的相关概念以及应用。同时，主要介绍了完成无线智能小车上位机设计中QT的应用，以及ZigBee串口通讯程序的编写。最终，通过ZigBee的无线通讯以实现无线智能小车的无线操控功能。本设计的智能小车技术发展成熟，结构简单，易于实现。而且有很高的智能化和人性化特点。

关键词无线智能小车；ZigBee；QT

Based on the technology of ZigBee wireless smart car software design

Abstract

Intelligent, is a new product of the development of modern social development, is the focus of the development and research direction in the future. Without management, it can be in the environment of a characteristic according to the preliminary design good model automatically. Along with the computer, machinery and electronics, automation, network, artificial intelligence and information technology, the rapid development of intelligent robot research areas such as all kinds of technology of wireless smart car, use ATmga16 single chip microcomputer as control core of the car; ZigBee is used to realize communication between PC and the smart car. This paper mainly introduces the related concepts and applications of QT and ZigBee technology. At the same time, mainly introduced the complete QT in the design of wireless smart car PC applications, and ZigBee write a serial port communication program. In the end, through the ZigBee wireless communications in order to realize the wireless smart car radio control functions. The design of the intelligent car technology development mature, simple structure, easy to implement. And characteristics.

Keywords: Wireless smart car; ZigBee; QT

目录

摘要 ................................................................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................................................ II 1 绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.2 国内外研究现状及发展趋势 (1)

1.2.1 国外研究现状 (2)

1.2.2 国内研究现状 (2)

1.2.3 研究方向 (3)

1.3 设计概要 (4)

2 技术简介 (5)

2.1 QT简介 (5)

2.1.1 QT概念及其主要模块 (5)

2.1.2 QT的发展历史 (5)

2.1.3 QT主要优势 (6)

2.1.4 QT的主要模块 (7)

2.2 ZigBee简介 (10)

2.2.1 ZigBee概念 (10)

2.2.2 ZigBee技术特点 (10)

2.2.3 ZigBee的应用及前景 (11)

3 CC2530解决方案 (13)

3.1 描述 (13)

3.2 引脚描述 (13)

3.3 电路描述 (15)

3.2.1 CPU和内存 (16)

3.2.2 时钟和电源管理、外设 (17)

3.2.3 无线设备 (19)

4 串口通讯程序的编写 (20)

4.1 编程环境 (20)

4.2 串口操作流程..............................................................................................错误！未定义书签。

4.2.1 设置串口参数...................................................................................错误！未定义书签。

4.2.2 选择串口 (21)

4.2.3 读或写串口 (21)

4.2.4 关闭串口 (21)

4.3 串口参数的设置 (21)

4.4 串口通讯程序 (22)

5 ZigBee模块的电路 (25)

5.1 ZigBee第一次使用（组网）流程 (25)

5.2 ZigBee接收器电路 (26)

6 2.4G点对点通讯模块（无线串口） (27)

6.1 概述及功能特点 (27)

6.2 基本概念 (27)

6.3 使用说明 (28)

7 核心代码详解 (31)

7.1 操作主界面代码块 (31)

7.2 操作主界面代码块 (31)

结论 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

外文资料 (39)

外文资料翻译 ..............................................................................................................错误！未定义书签。

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

信息化时代的到来，人们对网络通信技术的要求越来越高。传统的数字化设备的有线连接给人的生活带来了诸多不便。发展无线网络技术，将设备从有限连接的束缚中解脱出来，方便人们的使用，已经成为一种趋势，将无线技术运用到智能车设计中，从而使汽车轻松实现无线数据传输、语言通讯、目标跟踪、自动报警等功能已经是必然趋势，但是传统的无线技术大多成本高、结构复杂、不利于无线技术的推广。近些年来，一些公司和标准化组织就开始在探寻在不同领域的无线网络连接技术。并且开发出一系列技术标准。无线传感网络技术的研究热潮掀起了一场后PC时代的革命。

无线传感器网络是由大量无处不在的微小传感器节点，随机布设在无人值守的监控区域而构成的，能够根据环境自主完成指定任务的自治监控网络系统。它已经引起了学术界和工业界的高度重视，是对21世纪产生巨大影响力的技术之一，在很多领域也具有广阔的应用前景。

2004年，在IEEE 802.15.4基础上建立了ZigBee标准，进而推出符合该标准的芯片和开发平台。ZigBee标准包括IEEE802.15.4协议制定的物理层和介质访问层，以及ZigBee联盟制定的网络层和部分应用层。ZigBee协议标准作为一种全新的无线传感网络技术应运而生，并展示了迅猛发展的良好势头，引起了国内外广大科技工作者的极大兴趣和关注。该技术以微消耗能量、强组网能力、低营运成本、高可靠性为特点，可方便地组成一个功耗低、数据传输距离短且速率不高的低营运成本“无线局域网”，广泛应用到军事无人值守和灵巧网络通讯、工业自动控制、大中城市空气质量监控、医院医护监视、高速公路自动收缴费、居民水电气自动收缴费、消费类电子设备、PC 外设的无线连接等领域。国内已有很多高校和科研院所开展了这一领域的研究工作，研究内容含盖无线传感器节点硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国外研究现状

国外对于ZigBee技术的研究较早，技术也更加成熟。ZigBee联盟成立于2002年8月份，为推动ZigBee技术的发展，Ember、Freescale、Honeywell、MistubishiMtotrola、Philips和Sansung等公司共同成立了ZigBee联盟（ZigBee Alliance）。现如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其中包括有去多IC设计、家电、通讯设备、IP服务提供、玩具等产商。目前，该联盟已经包括好过150多家会员。ZigBee 的研究主要集中于硬件和软件2个方面。

硬件方面，目前在2.4GHz的I芯片，以国外的Chipcon市场占有率较高，其RF 芯片CC2420搭配Atmel A VR 8 bits微处理器的平台，也是很多数人接触道德ZigBee 的第一个开发平台。Chipcon已在2005年第3季推出型号为CC2430的系统芯片（soc）,包含RF与微处理器，大大减低了未来ZIgBee相关产品的成本，简化设计产品周期。

2.4GHz的RF芯片厂商Freescale,也又渐渐迎头赶上的趋势。其IXII芯片公分三种型号：MCI3191、MCI3192和MCI3193，搭配不同的协议软件，提供给厂商进行不同产品的开发。

软件方面，国际上已经有很多公司提供ZigBee Stack。例如，Ember、AirBee、Figure8 Wireless等，其中以Figure8 Wireless（F8W）所设计的Z.Stack最负盛名。Chipcon把F8W买下之后，是的Chipcon成为ZIgBee的完全解决方案的提供者。Fresscale也是搭配F8W的Z.Stack。这样，Chipcon CC24Z.Stack以及Freescalel3193+Z.Stack都成为ZigBee的开发的黄金平台。

1.2.2 国内研究现状

国内ZigBee的研究起步较晚，国内市场主要由国外占领。现状国内还未见成熟的自主研制的ZigBee产品，只是有一些研究性和简单应用的文章出现在期刊杂志。但是随着技术的发展，很多高校和研究机构已经开始无线组网技术的研究和应用。像中科院计算所的宁波分所就在专业从事无线技术的研究，侧重于无线网络化的智能传感器，计算所自主开发出了低功耗的CPU、多点网络动态组网拓扑协议、网络节点管理软件。国内的一些个大学，如山东大学、浙江大学也在进行ZigBee组网和应用的研究，利用国外厂商的开发平台和芯片创建ZigBee网络，并且应用在智能家居、物流管理方面。

相信随着无线技术的研究的深入，将有更多的国产的ZigBee产品。

1.2.3 研究方向

ZigBee路由协议是基于AODV专用网络路南协议来实现的。ZigBee路由器主要的功能是：路径的开发和选择、路径保持维护、路径期满处理。Z-Stack提供了完善高效的路由算法，兵器路由对对于应用层来说是完全透明的。用户在实现路由算法时，主要通过路由记录表的配置来实现，这个重要的配置文件是fSwConfig.c用户可以通过配置文件中的ROUTE_EXPIRY_TIME配置路径满期时间，通过MAX_RTG_ENTRIES 配置路由表的大小，通过MAX_TEQ_ENTRIES配置并发查找路径的大小。

另基于ZigBee技术的传感器网络应用非常广泛，可以帮助人们更好地实现生活梦想。ZigBee技术应用在数字家庭中，可使人们随时了解家里的电子设备状况，并可用于对家中病人的监控，观察病人状况是否正常以便作出反应。ZigBee传感器网络用语楼宇自动化可减低运营成本。如：检点里遍布空调供暖（HV AC）设备，如果在每台空调设备上加上ZigBee节点，就能对这些空调系统进行实时控制，节约能源消耗。此外，通过在手机上集成ZigBee芯片，可将手机作为ZigBee传感器网络的网关，实现对智能家庭的自动化控制、进行移动商务（利用手机购物）等诸多功能。据BobHeile介绍，目前意大利TIM移动公司已经推出了基于ZigBee技术的Z-sim卡，用于移动电话与电视机顶盒、计算机、家用电器之间的通信及停车场收费等。

1.3 设计概要

该智能小车是一辆双轮驱动的小车。通过ATmega16主控芯片控制传感器输入输出的信号；使用L298N做为电机驱动；ZigBee作为无线通讯装置；HJ-IR2红外传感器用于发射和接收红外线。以实现无线智能小车的无线操控以及智能避障功能。

本论文主要简述了无线智能小车中所使用的部分技术，即：QT和ZigBee技术。并且详细介绍了ZigBee串口通讯程序的编写流程。最后，介绍了ZigBee模块电路的各个接口，以方便最终智能小车的组装。

2 技术简介

2.1 QT简介

2.1.1 QT概念及其主要模块

QT是一个1991年由奇趣科技开发的多平台的C++图形用户界面应用程序框架。广泛用于开发GUI程序，这种情况下又被称为部件工具箱。也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。它是Digia公司的产品。QT使用标准的C++和特殊的代码生成扩展（称为元对象编译器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏。通过语言绑定，其他的编程语言也可以使用QT。QT是自由且开放源代码的软件，在GNU较宽松公共许可证条款下发布。所有版本都支持广泛的编译器，包括GCC的C++编译器和Visual Studio。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。Qt是完全面向对象的很容易扩展，并且允许真正地组件编程。自从1996年早些时候，Qt进入商业领域，它已经成为全世界范围内数千种成功的应用程序的基础。经过多年发展，Qt不但拥有了完善的C++图形库，而且近年来的版本逐渐集成了数据库、OpenGL库、多媒体库、网络、脚本库、XML库、WebKit库等等，其核心库也加入了进程间通信、多线程等模块，极大的丰富了Qt开发大规模复杂跨平台应用程序的能力。

QT的主要模块有图形界面、信号与槽、布局管理、图形工具、障碍环境、语言系统、线程支持、言语绑定等模块。

2.1.2 QT的发展历史

1996 OctKDE组织成立

1998 Apr 05Trolltech的程序员在5 天之内将Netscape5.0 从Motif移植到Qt 上1998 Apr 08 KDE Free Qt 基金会成立

1998 Jul 09 Qt 1.40 发布

1998 Jul 12 KDE 1.0 发布

1999 Mar 04QPL1.0 发布

1999 Mar 12 Qt 1.44 发布

1999 Jun 25 Qt 2.0 发布

1999 Sep 13 KDE 1.1.2 发布

2000 Mar 20嵌入式Qt 发布

2000 Sep 06 Qt 2.2 发布

2000 Oct 05 Qt 2.2.1 发布

2000 Oct 30 QtEmbedded 开始使用GPL宣言

2000 Sep 04 Qt free edition 开始使用GPL

2008 Nokia从Trolltech公司收购Qt, 并增加LGPL的授权模式

2011 Digia从Nokia收购了Qt的商业版权，从此Nokia负责Qt on Mobile, Qt Commercial由Digia负责，根据最新消息，NOKIA已经停止Meltemi系统开发，QT 部门被解散

2012 Aug 09 作为非核心资产剥离计划的一部分，诺基亚宣布将Qt软件业务出售给芬兰IT服务公司Digia。

2013年7月3日,Digia公司Qt开发团队在其官方博客上宣布Qt 5.1正式版发布。

2013年12月11日,Digia公司Qt开发团队宣布Qt 5.2正式版发布。

2014年4月,Digia公司Qt开发团队宣布Qt Creator 3.1.0正式版发布。

2.1.3 QT主要优势

QT的主要优势有：

（1）优良的跨平台特性：Qt支持下列操作系统：Microsoft Windows 9598，Microsoft Windows NT，Linux，Solaris，SunOS，HP-UX，Digital UNIX（OSF1，Tru64），Irix，FreeBSD，BSDOS，SCO，AIX，OS390，QNX等等。

（2）面向对象：Qt 的良好封装机制使得Qt 的模块化程度非常高，可重用性较好，对于用户开发来说是非常方便的。Qt 提供了一种称为signalsslots 的安全类型来替代callback，这使得各个元件之间的协同工作变得十分简单。

（3）丰富的API：Qt包括多达250个以上的C++类，还提供基于模板的collections，serialization，file，IO device，directory management，datetime类。甚至还包括正则

表达式的处理功能。

（4）支持2D3D图形渲染，支持OpenGL。

（5）大量的开发文档。

（6）XML支持。

2.1.4 QT的主要模块

经过多年发展，Qt不但拥有了完善的C++图形库，而且近年来的版本逐渐集成了数据库、OpenGL库、多媒体库、网络、脚本库、XML库、WebKit库等等，其核心库也加入了进程间通信、多线程等模块，极大的丰富了Qt开发大规模复杂跨平台应用程序的能力，真正意义上实现了其研发宗旨“Code Less；Create More；Deploy Anywhere.”。

由于各家编译器良莠不齐。Qt本身为了跨平台兼容性，只能以“最低兼容规格”来设计。因此Qt必须具备RTTI、动态创建、PersistenceSerialization的基础建设，以及建构出自己的容器组件。

1.图形界面

Qt的图形用户界面的基础是QWidget。Qt中所有类型的GUI组件如按钮、标签、工具栏等都派生自QWidget，而QWidget本身则为QObject的子类。Widget负责接收鼠标，键盘和来自窗口系统的其他事件，并描绘了自身显示在屏幕上。每一个GUI 组件都是一个widget，widget还可以作为容器，在其内包含其他Widget。

QWidget不是一个抽象类型。并且可以被放置在一个已存在的用户界面中；若是Widget没有指定父Widget，当它显示时就是一个独立的视窗、或是一个顶层widget。QWidget显示能力包含了透明化及Double-Buffering。Qt提供一种托管机制，当Widget 于创建时指定父对象，就可把自己的生命周期交给上层对象管理，当上层对象被释放时，自己也被释放。确保对象不再使用时都会被删除。

2.信号与槽

Qt利用信号与槽（signalsslots）机制取代传统的callback来进行对象之间的沟通。当操作事件发生的时候，对象会发提交一个信号（signal）；而槽（slot）则是一个函数接受特定信号并且运行槽本身设置的动作。信号与槽之间，则通过QObject的静态方法connect来链接。

信号在任何运行点上皆可发射，甚至可以在槽里再发射另一个信号，信号与槽的链接不限定为一对一的链接，一个信号可以链接到多个槽或多个信号链接到同一个槽，甚至信号也可连接到信号。

以往的callback缺乏类型安全，在调用处理函数时，无法确定是传递正确型态的参数。但信号和其接受的槽之间传递的数据型态必须要相符合，否则编译器会提出警告。信号和槽可接受任何数量、任何型态的参数，所以信号与槽机制是完全类型安全。

信号与槽机制也确保了低耦合性，发送信号的类型并不知道是哪个槽会接受，也就是说一个信号可以调用所有可用的槽。此机制会确保当在"连接"信号和槽时，槽会接受信号的参数并且正确运行。

3.布局管理

布局管理类型用于描述一个应用程序的用户界面中的Widget是如何放置。当视窗缩放时，布局管理器会自动调整widget的大小、位置或是字号，确保他们相对的排列和用户界面整体仍然保有可用性。

Qt内置的布局管理类型有：QHBoxLayout、QVBoxLayout、QGridLayout和QFormLayout。这些类型继承自QLayout，但QLayout非继承自QWidget而是直接源于QObject。他们负责widget的几何管理。想要创建更复杂的版面配置，可以继承QLayout来自定义版面配置管理员。

QHBoxLayout：配置widget成横向一列。

QVBoxLayout：配置widget成垂直一行。

QGridLayout：配置widget在平面网格。

QFormLayout：配置widget用于2栏标签-field。

4.图形工具

（1）Main Window

Qt提供了下列主视窗管理和相关的用户界面组件的类型：

QMainWindow：提供一个标准的应用程序主视窗。当中可以包括菜单、工具栏、状态栏、停驻组件等组件。

QDockWidget：提供了一个可用于创建弹簧工具调色板或辅助窗口的widget。Dock widgets可以移、关闭、浮动为外部视窗。

QToolBar：提供了一个通用的工具栏widget，可以放入一些不同的action有关的

工具，如按钮、下拉列表、comboboxes和spin boxes。

（2）Graphics View

Graphics View提供了用于管理和交互大量定制的2D图形对象的平面以及可视化显示对象的视图widget，并支持缩放和旋转功能。

整个Graphics View框架提供一个以Item为基础的model-view设计。由3个主要的类型组成，分别是QGrphicsItem、QGraphicsScene和QGraphicsView。若干View 可以显示一个Scene，Scene中则包含不同几何形状的Item。

该框架包括一个事件传播的架构，让在Scene上的Item有双精度的交互能力。Item 可以处理键盘事件，鼠标按下、移动、释放和双击事件，他们也可以跟踪鼠标移动。

Graphics View使用BSP（二进制空间划分）树可非常快速地找到Item，因此即使是包含百万个Item的大型Scene，也能实时图形化显示。

KDE中的Plasma亦是基于Graphics View实现的。

5.障碍环境

无障碍环境需要无障碍兼容的应用程序、辅助技术、以及辅助工具之间的合作。应用程序通常不会直接沟通辅助工具，而是通过一个辅助技术，这是一个应用程序和工具之间信息交流的桥梁。用户界面元素相关信息，例如按钮和滚动条，使用辅助技术来显示。Qt支持Windows上的Microsoft Active Accessibility（MSAA）和Mac OS X 上Mac OS X Accessibility。

无障碍兼容的应用程序称为AT-Servers，而辅助工具被称为AT-Clients。Qt应用程序通常会是一个AT-Server，但特别的程序也可能如同AT-Client方式工作。

6.语言系统

Qt的字体引擎能够在同一时间正确的显示各种不同的书写系统。并且Qt内部使用Unicode编码来存储文字。

Qt的多国语言支持技术，可以让应用程序中的文字全部使用英文撰写，能够在完全不需修改程序的状况下，改变整个应用程序中的文字为另一个语系的文字，并能够协助处理不同语言的单、复数问题。

独立的翻译文件使得新增支持语言相当容易，同时翻译文件（.ts）为XML格式可以直接编辑或使用Qt Liguist进行翻译，可让无程序开发能力的翻译者亦能独自完成翻译。Qt附带的工具程序就能够自动抽取需要翻译的文字产生翻译文件。

7.线程支持

Qt的线程支持是独立于平台的线程类型，采用信号与槽机制，实现类型安全的线程间通讯。这使得它易于开发具可移植性的多线程Qt应用程序。并能充分利用多核架构，获得最佳运行性能，还能根据可用的处理器内核数自动调整使用的线程数。多线程程序设计也是一个执行耗时操作而不会冻结用户界面的有效典范。

8.语言绑定

除了C++外，Qt还为其它多种计算机语言提供了应用程序接口，您也可以使用这些语言开发Qt应用程序。

2.2 ZigBee简介

2.2.1 ZigBee概念

ZigBee 是一种基于标准的远程监控、控制和传感器网络应用技术。为满足人们对支持低数据速率、低功耗、安全性和可靠性，而且经济高效的标准型无线网络解决方案的需求，ZigBee 标准应运而生。Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术，是一种介于无线标记技术和BlueTooth之间的技术提案。Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

2.2.2 ZigBee技术特点

（1）数据传输速率低：10Kbs~250Kbs，专注于低速率传输应用。

（2）功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24 个月。

（3）成本低：Zigbee 数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本。

（4）网络容量大：网络可容纳6万多个设备。

（5）延时短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道