??? 摘? 要： 通過(guò)設(shè)計(jì)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(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了1.2km范圍內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、測(cè)控和文件傳輸?shù)裙δ堋?

??? 關(guān)鍵詞： ZigBee協(xié)議; 無(wú)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(wú)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(wú)線個(gè)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(huì)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(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通常有兩種方法：增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)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(guò)高且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由算法有較高的要求，給開(kāi)發(fā)增加了一定的難度;后者成本相對(duì)低廉，比較容易實(shí)現(xiàn)。?

??? 本文利用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)來(lái)構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)高功率電路的設(shè)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)大范圍的測(cè)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一套實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開(kāi)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(shù)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(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)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(gè)從屬設(shè)備。?

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1 ZigBee高功率電路設(shè)計(jì) ?

??? RF收發(fā)器選用英國(guó) 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(guò)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(chǔ)器、64KB ROM程序存儲(chǔ)器。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，考慮到平衡匹配，在RF收發(fā)端加入平衡轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)考慮到時(shí)分雙工TDD原理，還需要加入雙向收發(fā)切換開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)信號(hào)由收發(fā)控制位來(lái)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(jì)使用的是半波偶極天線，兩個(gè)饋電點(diǎn)的信號(hào)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(duì)稱(chēng)）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(duì)稱(chēng)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(guò)功率放大器使無(wú)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(kāi)關(guān)芯片，它的插入損耗為0.4dB，上升下降時(shí)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(shí)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(hào)完整性。高頻低噪聲放大電路是通過(guò)放大器對(duì)接收到的信號(hào)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(hào)增益和1.15dB的低噪聲系數(shù)，同時(shí)在接收輸入端加一級(jí)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(jì)?

??? 本設(shè)計(jì)是為了開(kāi)發(fā)一套通用的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(guò)無(wú)線方式傳送給計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)是基于星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的，遠(yuǎn)程無(wú)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(guò)串口傳送到遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)，最多可同時(shí)允許254個(gè)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)終端可接收脈沖信號(hào)、電流信號(hào)和電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（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(dòng)識(shí)別并脫離網(wǎng)絡(luò)而繼續(xù)占用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，造成協(xié)調(diào)器重新上電后，無(wú)法使用設(shè)定好的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)建立網(wǎng)絡(luò)。為了與實(shí)際工況相適應(yīng)，要求終端節(jié)點(diǎn)可以長(zhǎng)時(shí)間工作，并保存數(shù)據(jù)，而監(jiān)控單元?jiǎng)t可以隨時(shí)關(guān)機(jī)。為了保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和系統(tǒng)的實(shí)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(dòng)退出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入休眠，經(jīng)過(guò)給定的時(shí)間后重新等待加入網(wǎng)絡(luò)。?

??? 在偵聽(tīng)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(hào)，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(tīng)方式。協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，路由器通過(guò)偵聽(tīng)獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通過(guò)實(shí)際比較，路由器偵聽(tīng)方式在多節(jié)點(diǎn)大量數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，不能很好地定時(shí)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。因此本設(shè)計(jì)最終選用協(xié)調(diào)器應(yīng)答方式，其偵聽(tīng)流程如圖6所示。?

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??? 協(xié)調(diào)器接收到查詢信號(hào)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(hào)或者網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后將N置為5。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中不同的下位機(jī)，分別將其等待時(shí)間設(shè)定為間隔50ms的差值序列，其最小值為T(mén)min。在協(xié)調(diào)器正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)每間隔Tmin才有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，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(shí)，只需等待信道變?yōu)榭臻e，在檢測(cè)接收方信道為空閑時(shí)，即發(fā)送數(shù)據(jù)幀。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)后偵聽(tīng)接收方的響應(yīng)，如果響應(yīng)超時(shí)則重復(fù)發(fā)送該數(shù)據(jù)。同時(shí)為了保障傳送測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，對(duì)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(shí)時(shí)性。但是由于無(wú)線方式受外界影響較大，在環(huán)境條件惡劣的地方會(huì)產(chǎn)生一定的丟包率。?

??? 測(cè)控系統(tǒng)要求提供實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。傳輸?shù)奈募?shù)據(jù)量大、發(fā)送時(shí)間較長(zhǎng)，在傳輸過(guò)程中，多節(jié)點(diǎn)（1～254）同時(shí)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(duì)接收的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。因此需要統(tǒng)一文件數(shù)據(jù)保存格式，通過(guò)逐條校驗(yàn)數(shù)據(jù)序列號(hào)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(jì)算機(jī)提取接收到的文件數(shù)據(jù)后逐條校驗(yàn)，將出錯(cuò)的數(shù)據(jù)序列號(hào)逐條發(fā)送到下位機(jī),請(qǐng)求下位機(jī)重新傳輸。發(fā)送文件數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)無(wú)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(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的通訊距離和良好的通訊效果。利用設(shè)計(jì)的高功率電路和Jennic提供的低功率模塊分別對(duì)多組天線進(jìn)行野外實(shí)際綜合測(cè)試，最終選取適合本設(shè)計(jì)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(cè)試傳輸距離為選取通訊質(zhì)量良好的實(shí)際距離。以下是對(duì)1萬(wàn)組數(shù)據(jù)進(jìn)行10次傳輸所得的試驗(yàn)結(jié)果，其中數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了高功率電路設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)確定在協(xié)調(diào)器上選用增益為7dBi的TQC-2400A車(chē)臺(tái)天線，在節(jié)點(diǎn)上選用3dBi的鞭狀天線。?

??? 本設(shè)計(jì)對(duì)于距離要求更高的場(chǎng)合，還可以通過(guò)選用更高增益的天線實(shí)現(xiàn)幾公里內(nèi)的無(wú)線傳輸。?

參考文獻(xiàn)?

[1] CALLWAY E, GORDAY P, HESTER L, et al. Home?networking with IEEE802.15.4: a developments for lowrate?wireless persenal area networks[J]. IEEE Communication?Magazine, 2002,40(8):70-77.?

[2]?NEELAKANTA, PERAMBUR S, HARDSHAD D. Robust?factory wireless communications: a performance appraisal?of the bluetooth and the ZigBee collocated on an industrial?floor[J]. IEEE Computer Society, 2003(3):2381-2386.?

[3]?周怡,凌志浩,吳勤勤.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(6):5-9.?

[4]?方舒,張輝全.2.4G射頻雙向功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 世界電子元器件, 2007,5(13)：46-49.?