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目前GSM和3G等無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)以及藍牙、WiFi、Ad-hoc等無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)應用日益廣泛，但其設備系統復雜，功耗較大、成本很高，不適合應用在一些低數據速率和通信范圍較小的場(chǎng)合，如傳感器網(wǎng)絡(luò )、家庭自動(dòng)化以及玩具等領(lǐng)域。ZigBee網(wǎng)絡(luò )在通信過(guò)程中只需一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者，用以建立網(wǎng)絡(luò )并管理和協(xié)調整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸，而無(wú)需成本高昂、體積龐大的基站。該網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者既是網(wǎng)絡(luò )中的主節點(diǎn)，又可作為網(wǎng)絡(luò )與其他有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )互連的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。ZigBee是一種低復雜度、低功耗和低成本的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)系統的開(kāi)發(fā)應用已成為研究熱點(diǎn)。 1 ZigBee技術(shù) ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)。它是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)與藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。它有自己的無(wú)線(xiàn)標準，通過(guò)數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調來(lái)實(shí)現通信。這些傳感器只需很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳送到另一個(gè)傳感器，所以通信效率非常高。ZigBee是一個(gè)由多達65 000個(gè)無(wú)線(xiàn)數傳模塊組成的無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )平臺，類(lèi)似移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。其中每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )數傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內，它們之間可以進(jìn)行相互通信；整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )還可以與現有的其他各種網(wǎng)絡(luò )連接。 2 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計 2．1 硬件系統總體設計 圖l為ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件系統總體框圖，該系統由CC2430器件模塊和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊組成。CC2430射頻器件模塊由CC2430器件和相關(guān)外圍電路構成。雖然CC2430內部集成有無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和805l內核，可以簡(jiǎn)化電路設計，在單片機和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在空曠地面的通信距離是lO～100 m，這個(gè)距離有時(shí)不能滿(mǎn)足應用需要。在CC2430器件與天線(xiàn)之間加一級接口電路即無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，用來(lái)放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數據傳送距離。 
2．2 CC2430器件模塊 CC22430器件模塊的電路原理如圖2所示。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復位電路。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供，這里由內部電路提供，需外加晶體振蕩器和 2個(gè)負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。R2和R3為偏置電阻，電阻R3主要用來(lái)為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。用1個(gè)32 MHz的石英諧振器(X1)和2只電容(C9和C10)構成1個(gè)32 MHz的晶振電路。用1個(gè)32．768 kHz的石英諧振器(X2)和2個(gè)電容(C7和C8)構成1個(gè)32．768 kHz的晶振電路。CC2430射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是115+j180 Ω，阻抗匹配電路應根據該數值進(jìn)行調整。設計采用50Ω單極子天線(xiàn)，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個(gè)端口，而天線(xiàn)是單端口，因此需采用巴倫電路 (平衡／非平衡轉換電路)完成雙端口到單端口的轉換。巴倫電路由電感(L1、L2，L3)和電容(C15、C17、C26)構成。 CC2430內部使用1．8 V工作電壓，適合于電池供電的設備，外部數字I／O接口使用3．3 V電壓，以保持和3．3 V邏輯器件兼容。CC2430片上集成有自流穩壓器，能將3．3 V電壓轉換為1．8 V電壓，這樣只有3．3 V電源的設備無(wú)需外加電壓轉換電路就能正常工作。C1、C11、C15等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高器件的工作穩定性。
2．3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 CC2430發(fā)送數據時(shí)，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘�，�?RXTX_SWITCH信號控制2個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)，選通功率放大電路(PA)，放大后的信號從天線(xiàn)發(fā)射出去。接收信號時(shí)，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線(xiàn)接收的信號經(jīng)低噪聲放大電路(LNA) 放大，巴倫電路轉換，由RF_P、RF_N端口接收。圖3為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與CC2430的連接框圖。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的電路原理如圖4所示。該電路主要由2個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)電路、功率放大電路(PA)、低噪聲功率放大電路(LNA)、阻抗匹配電路、電源濾波電路及偏置電路組成。功率放大電路采用Bubec公司的功放UP2202V，該器件由3．3 V電源供電，與CC2430供電電源相同，無(wú)需另外設計電源電路，l dB壓縮點(diǎn)輸出功率為23 dBm，線(xiàn)性增益為26 dB，內部輸入已匹配到50Ω。
低噪聲功率放大電路采用Bubec公司的UA2723，該器件采用3．3 v電源供電，內部輸入輸出均已匹配到50 Ω，設計時(shí)無(wú)需阻抗匹配，頻率范圍是0．05～4 GHz，在2．2 GHz時(shí)功率增益是20 dB，在2．5 GHz時(shí)1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于-1．5 dBm。 為了保證低噪聲功率放大器的靈敏度，3.3 V電源經(jīng)Richtek公司的超低噪聲，低靜態(tài)電流電源調整器RT919333PB調整后再送給UA2723，如圖5所示。
3 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的軟件設計 3．1 ZigBee協(xié)議棧 ZigBee協(xié)議由一組子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)；數據實(shí)體提供數據傳輸服務(wù)；管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供一系列基本服務(wù)指令來(lái)完成相應的功能。 ZigBee協(xié)議棧的體系結構包括：ZigBee應用層、ZigBee網(wǎng)絡(luò )層、IEEE．802．15．4 MAC層和IEEE802．15．4 PHY層。IEEE．802．15．4 2003標準定義最下面的2層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò )層和應用層(APL)框架的設計。其中應用層框架主要包括3部分：應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和由制造商制定的應用對象。 3．2 ZigBee信道分配 ZigBee的通信頻率在物理層規范，在不同的國家或區域ZigBee提供了不同的工作頻率范圍，其所使用的頻率范圍為2．4 GHz和816／915 MHz。因此，在ZigBee中定義2．4 GHz和816／915 MHz 2個(gè)物理層標準，它們都基于直接序列擴頻(DSSS) 技術(shù)。 這里采用全球統一的2．4 GHz波段，無(wú)須申請ISM頻段，適合ZigBee設備推廣及降低生產(chǎn)成本。2．4 GHz物理層采用16相調制技術(shù)，能夠提供250 kb／s的傳輸速率，提高數據吞吐量，縮短通信時(shí)延和數據收發(fā)時(shí)間，降低功耗。 3．3 網(wǎng)絡(luò )的建立與加入 ZigBee設備通過(guò)NLME-NETWORK-FORMATION．request原語(yǔ)來(lái)啟動(dòng)一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )的建立過(guò)程。僅當具有ZigBee協(xié)調器能力且當前無(wú)與網(wǎng)絡(luò )連接的設備，才可嘗試建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )。如果此過(guò)程由其他設備開(kāi)始，則網(wǎng)絡(luò )層管理實(shí)體將終止該過(guò)程，并向其上層發(fā)出非法請求報告。 該步驟通過(guò)發(fā)出狀態(tài)參數為INVAUD_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION．confirm原語(yǔ)來(lái)完成。只有當設備為 ZigBee協(xié)調器或路由器時(shí)，才能試圖允許設備與網(wǎng)絡(luò )的連接�？赏ㄟ^(guò)NLME-PERMIT- JOINING．request原語(yǔ)允許連接。 3．4 數據的發(fā)送與接收 發(fā)送數據時(shí)，首先按照協(xié)議中規定的幀形式構建幀數據。幀數據包括幀頭和幀內容。其中幀頭包括幀類(lèi)型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID 等信息。幀構建好后調用MAC層的原語(yǔ)MCPS-DATA．request，并將接收到的結果通過(guò)MCPS-DATA．confirm返回。在Z- Stack中，數據的發(fā)送和接收都必須通過(guò)應用層調用。應用層提供的Flash發(fā)送函數，其程序如下： 為了接收數據，設備必須打開(kāi)其接收機。上層使用NLME-SYNC．request原語(yǔ)初始化設備，打開(kāi)其接收機，該原語(yǔ)將引起網(wǎng)絡(luò )層使用 MLME-POLL．request原語(yǔ)對其父設備進(jìn)行輪詢(xún)。ZigBee協(xié)調器或路由器的網(wǎng)絡(luò )層必須在最大程度上保證任何時(shí)間接收機總是處于接收狀態(tài)。 網(wǎng)絡(luò )層使用NLDE-DATA．indication原語(yǔ)向其高層表明所接收到的數據幀。一旦接收到幀信息，網(wǎng)絡(luò )層數據實(shí)體將會(huì )檢查幀控制域中安全子域的值。如果該值不為零，則網(wǎng)絡(luò )層數據實(shí)體將把該幀傳送到安全服務(wù)提供單元，并根據所指定的安全標準對其進(jìn)行安全處理。 接收到Flash發(fā)送方式的數據后，網(wǎng)絡(luò )層會(huì )根據發(fā)送的數據計算小燈閃爍的數據間隔，其源函數程序如下：
4 結束語(yǔ) 將本文所設計的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)應用于軍用車(chē)載記錄儀，用來(lái)向基站傳送車(chē)的速度，油量，水溫，行駛路程等數據。經(jīng)測量，在距離基站292 m以?xún)鹊牡胤�，數據能準確地傳送到基站，基本達到了預定設計目標。 ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計簡(jiǎn)單、開(kāi)銷(xiāo)小、應用范圍廣，適用于家庭自動(dòng)化、健康醫療服務(wù)、無(wú)線(xiàn)自動(dòng)讀表系統、智能小區、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)工業(yè)控制、智慧型標簽等領(lǐng)域。例如在精確農業(yè)領(lǐng)域，傳統農業(yè)使用孤立的、無(wú)通信能力的機械設備，主要依靠人力檢測作物的生長(cháng)狀況，而采用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò )后，農業(yè)將逐漸轉向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化和遠程控制的設備來(lái)耕種。 作者：梁光勝，劉丹娟，郝福珍 華北電力大學(xué) 來(lái)源：電子設計工程 |
