??? 摘? 要： 通過設(shè)計功率放大電路提高發(fā)射功率，選用較大增益和靈敏度的天線等方法提高通訊距離，并應(yīng)用于多傳感器信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了1.2km范圍內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、測控和文件傳輸?shù)裙δ堋?

??? 關(guān)鍵詞： ZigBee協(xié)議; 無線通訊; 高功率

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??? ZigBee技術(shù)是一種低功耗、近距離、低速率的無線雙向網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。其物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4（無線個人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)^[1]，并在此基礎(chǔ)上由ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)。?

??? 但ZigBee協(xié)議的低功耗和高頻率限制了RF器件收發(fā)的覆蓋范圍，如果要在較大范圍內(nèi)組建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通常有兩種方法：增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)路由層傳遞；增大發(fā)射功率，擴(kuò)大覆蓋半徑。前者成本過高且對網(wǎng)絡(luò)的路由算法有較高的要求，給開發(fā)增加了一定的難度;后者成本相對低廉，比較容易實現(xiàn)。?

??? 本文利用ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)，并通過高功率電路的設(shè)計，有效地實現(xiàn)大范圍的測控系統(tǒng)，開發(fā)了一套實用的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。?

??? ZigBee軟件架構(gòu)由物理/鏈路層、ZigBee協(xié)議層和應(yīng)用層三部分組成，如圖1所示。ZigBee工作在2.4GHz的ISM免費(fèi)頻段，其PHY層采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(Direct Sequence Spread Spectrum)。ZigBee協(xié)議棧的核心部分是網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[2]。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者（Coordinator）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理和最多可達(dá)65 535個從屬設(shè)備。?

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1 ZigBee高功率電路設(shè)計 ?

??? RF收發(fā)器選用英國 Jennic公司的JN5121 Soc芯片。該芯片集成了32位RISC處理器和RF組件，可以通過RS232接口與PC機(jī)相連。芯片內(nèi)有128位AES安全協(xié)處理器、96KB RAM靜態(tài)存儲器、64KB ROM程序存儲器。在設(shè)計電路時，考慮到平衡匹配，在RF收發(fā)端加入平衡轉(zhuǎn)換電路，同時考慮到時分雙工TDD原理，還需要加入雙向收發(fā)切換開關(guān)，開關(guān)信號由收發(fā)控制位來控制^[3]。高功率電路總體框架如圖2所示。?

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1.1 平衡轉(zhuǎn)換電路?

??? 本設(shè)計使用的是半波偶極天線，兩個饋電點(diǎn)的信號電壓（或電流）的相位是互為反相的。主饋電纜使用同軸電纜，同軸電纜屬于不平衡（不對稱）饋線，其內(nèi)導(dǎo)體是饋電點(diǎn)，而外導(dǎo)體是地線點(diǎn)，不參與饋電，影響天線的對稱性。因此，不僅要考慮阻抗匹配，還需要在天線和同軸電纜之間進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器芯片選用HHM1521不平衡-平衡轉(zhuǎn)換器，其插入損耗只有1.0dB，其電路如圖3所示。?

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1.2 功率放大電路?

??? 發(fā)射功率放大電路的作用是通過功率放大器使無線發(fā)射功率放大到所期望的值。收發(fā)切換元件選用AS179-92 SPDT開關(guān)芯片，它的插入損耗為0.4dB，上升下降時間為10ms。選用PA2423L作為功率放大器，它以高效率的硅鍺結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，保證了芯片的高性能和穩(wěn)定性，可實現(xiàn)+22.5dBm 的輸出功率和45%的附加功率效率，克服了天線和濾波器的損耗，保證了在指定傳輸范圍內(nèi)高度的信號完整性。高頻低噪聲放大電路是通過放大器對接收到的信號進(jìn)行增強(qiáng)。在接收端選用BFP405高頻三極管，可提供22dB的信號增益和1.15dB的低噪聲系數(shù)，同時在接收輸入端加一級帶通濾波器，其主要電路如圖4所示。?

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2 ZigBee具體應(yīng)用研究?

2.1 系統(tǒng)設(shè)計?

??? 本設(shè)計是為了開發(fā)一套通用的現(xiàn)場無線傳感器采集系統(tǒng)，利用各種不同的傳感器獲得所需的參數(shù)并通過無線方式傳送給計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)是基于星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的，遠(yuǎn)程無線監(jiān)控單元的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收數(shù)據(jù)，并通過串口傳送到遠(yuǎn)程管理計算機(jī)，最多可同時允許254個終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。每個終端可接收脈沖信號、電流信號和電壓信號，經(jīng)過調(diào)理電路后與嵌入式系統(tǒng)相連，并將采集的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖5所示。?

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2.2 網(wǎng)絡(luò)重建?

??? 在ZigBee協(xié)議中，協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的中心，擔(dān)負(fù)著建立網(wǎng)絡(luò)和路由控制等功能，與網(wǎng)絡(luò)建立后加入的路由節(jié)點(diǎn)使用同一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（PAN ID）。因此要求協(xié)調(diào)器必須保持工作狀態(tài)，才能保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定^[4]。如果協(xié)調(diào)器中途斷電或者關(guān)閉，路由節(jié)點(diǎn)不能自動識別并脫離網(wǎng)絡(luò)而繼續(xù)占用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，造成協(xié)調(diào)器重新上電后，無法使用設(shè)定好的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識建立網(wǎng)絡(luò)。為了與實際工況相適應(yīng)，要求終端節(jié)點(diǎn)可以長時間工作，并保存數(shù)據(jù)，而監(jiān)控單元則可以隨時關(guān)機(jī)。為了保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和系統(tǒng)的實用性，在路由節(jié)點(diǎn)增加了判斷功能，當(dāng)協(xié)調(diào)器關(guān)機(jī)后，路由節(jié)點(diǎn)自動退出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入休眠，經(jīng)過給定的時間后重新等待加入網(wǎng)絡(luò)。?

??? 在偵聽的選擇上主要有兩種方式：(1)協(xié)調(diào)器應(yīng)答方式。路由器發(fā)送查詢信號，協(xié)調(diào)器收到之后回復(fù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài);(2)路由器偵聽方式。協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，路由器通過偵聽獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通過實際比較，路由器偵聽方式在多節(jié)點(diǎn)大量數(shù)據(jù)傳輸過程中，不能很好地定時發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。因此本設(shè)計最終選用協(xié)調(diào)器應(yīng)答方式，其偵聽流程如圖6所示。?

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??? 協(xié)調(diào)器接收到查詢信號后，采用廣播方式應(yīng)答，網(wǎng)絡(luò)中所有的下位機(jī)接收到應(yīng)答信號或者網(wǎng)絡(luò)信號后將N置為5。對于網(wǎng)絡(luò)中不同的下位機(jī)，分別將其等待時間設(shè)定為間隔50ms的差值序列，其最小值為Tmin。在協(xié)調(diào)器正常工作時，網(wǎng)絡(luò)每間隔Tmin才有一個應(yīng)答信號，保證了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。?

2.3 文件傳輸?

??? ZigBee協(xié)議棧提供了關(guān)于數(shù)據(jù)完整性的檢查機(jī)制，若終端設(shè)備想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，只需等待信道變?yōu)榭臻e，在檢測接收方信道為空閑時，即發(fā)送數(shù)據(jù)幀。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)后偵聽接收方的響應(yīng)，如果響應(yīng)超時則重復(fù)發(fā)送該數(shù)據(jù)。同時為了保障傳送測試數(shù)據(jù)的實時性，對重復(fù)次數(shù)進(jìn)行了一定的限制,這在很大程度上保障了數(shù)據(jù)的完整性和傳感網(wǎng)絡(luò)的實時性。但是由于無線方式受外界影響較大，在環(huán)境條件惡劣的地方會產(chǎn)生一定的丟包率。?

??? 測控系統(tǒng)要求提供實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。傳輸?shù)奈募?shù)據(jù)量大、發(fā)送時間較長，在傳輸過程中，多節(jié)點(diǎn)（1～254）同時發(fā)送信息可能造成通訊堵塞，此外也可能造成一定的丟包和誤碼。為了保證傳輸文件的完整性，要對接收的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。因此需要統(tǒng)一文件數(shù)據(jù)保存格式，通過逐條校驗數(shù)據(jù)序列號的方式確保文件完整性。當(dāng)傳送文件完成后，監(jiān)控管理計算機(jī)提取接收到的文件數(shù)據(jù)后逐條校驗，將出錯的數(shù)據(jù)序列號逐條發(fā)送到下位機(jī),請求下位機(jī)重新傳輸。發(fā)送文件數(shù)據(jù)時，ZigBee數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。?

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2.4 天線的選取?

??? 天線是任何一個無線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分。合理慎重地選用天線，可以實現(xiàn)較遠(yuǎn)的通訊距離和良好的通訊效果。利用設(shè)計的高功率電路和Jennic提供的低功率模塊分別對多組天線進(jìn)行野外實際綜合測試，最終選取適合本設(shè)計通訊距離要求的天線組合。其中網(wǎng)絡(luò)建立距離為網(wǎng)絡(luò)可以快速建立的最大距離，?測試傳輸距離為選取通訊質(zhì)量良好的實際距離。以下是對1萬組數(shù)據(jù)進(jìn)行10次傳輸所得的試驗結(jié)果，其中數(shù)據(jù)長度為120B，發(fā)送間隔為5ms，將10次傳輸總的丟包數(shù)除以發(fā)送總包數(shù)得到的平均丟包率如表2所示。?

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??? 通過試驗驗證了高功率電路設(shè)計的有效性，同時確定在協(xié)調(diào)器上選用增益為7dBi的TQC-2400A車臺天線，在節(jié)點(diǎn)上選用3dBi的鞭狀天線。?

??? 本設(shè)計對于距離要求更高的場合，還可以通過選用更高增益的天線實現(xiàn)幾公里內(nèi)的無線傳輸。?

參考文獻(xiàn)?

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