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zigbee收集拓扑布局及节点设想

2014-08-29 15:11
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1 引言

  基于zigbee技术的无线传感器收调集用于网点多、体积小、数据量小,传输靠得住、低功耗等场所,在环境监测、无线抄表、智能小区、工业节制等范畴已取得一席之地[1]。同时,zigbee规范与和谈日臻完满[2]。从zigbee1.0、zigbee1.1到今朝最新的zigbee2007/pro,zigbee和谈规范的演进对硬件系统提出了更高的要求[3]。

  2 设想要求

  2.1 zigbee收集布局

  从收集布局上看,zigbee收集有星形,树形,网状3种模式,按照收集节点功能划分可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种[2]。其机关布局如图1示。
  

 
  
图1 zigbee收集拓扑布局
 
  此中,协调器节点担任倡议并维护一个无线收集,识别收集中的设备插手收集;路由器节点支撑收集链路布局,完成数据包的转发;终端节点是收集的感知者和施行者,担任数据采集和可施行的收集动作[2]。这就要求zigbee收集节点需扮演终端感知者、收集支撑者、收集协调者3种角色。

  从功能上,zigbee节点应由微节制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块构成。其布局如图2所示。
  

  图2 zigbee收集节点模块图
 
  此中,包罗dma、usart模块、按时器模块、a/d模块在内的丰盛的外设功能来满足收集对硬件本钱的需求,存储器模块完成和谈栈的存储与施行,cpu完成数据的运算与处置,mac按时器用于完成收集同步,使用aes技术对消息进行加密,无线模块完成收条的收发与消息帧节制。

  2.2 zigbee收集节点设想要求

  (1)可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速度和较好的绕射机能,同时要具有必然的抗干扰力。2.4ghz频段是ieee 502.15.4定义的工作在ism频段的两个工作频段之一,有16个速度为250kb/s的信道。
  (2)体积小,成本低,易于大规模布建。zigbee技术较其它无线技术的劣势在于自组网,这就需要布建大规模的收集节点,因而成本问题凸显出来,有材料显示:10$摆布的zigbee收集节点有较高的性价比。
  (3)靠得住性。与有线传输介质比拟,无线信号传输更容易遭到式微、多径和干扰等问题,zigbee收集是工作在2.4ghz ism频段,与其他无线信道之间干扰是不成避免的。为包管收集在无效范畴内建立靠得住的传输,收集节点应选择合理的信道接入编制,无效削减帧冲突,使用合理的扩频技术。
  (4)通用性。布建zigbee收集的最终方针是经由收集完成各类操作,主如果i/o操作和a/d操作,这就要求收集节点有必然的通用性,能满足各类传感器和终端设备的操作要求。
  (5)低功耗,支撑电池供电。低功耗是zigbee的次要特征,支撑休眠-唤醒模式和引入功率节制机制使设备愈加省电。典型的zigbee节点在使用通俗电池供电的环境下工作12个月以上。
  zigbee收集节点的设想应按照上述的准绳与规划进行硬件设想和软件设想。

3 硬件设想

  3.1芯片选型

  zigbee收集节点硬件设想的的核心是微处置器芯片。微处置器模块在无线收发模块的协作下完成zigbee收集的建立与维护,数据采集与处置,无线数据收发以及zigbee2007和谈栈的一般运转[3]。在收集节点的硬件设想中能够按照成本与操作可行性等因数选择不合的的设想方案,本设想选择集微处置器模块和无线收发模块于一体的单芯片处理方案。

  设想选用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256,工作在2.4ghz频段,是合适ieee 802.15.4规范的真正片上系统处理方案,也是今朝浩繁zigbee设备产物中暗示最为出众的微处置器之一。其次要特征如下:
  (1)片内集成加强型高速8051内核处置器,支撑代码预取;256kflash法式存储器,支撑最新zigbee2007pro和谈;8k数据存储器;支撑硬件调试[3]。
  (2)支撑2v-3.6v供电区间,具有3种电源办理模式:唤醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中缀模式0.4ua。包罗处置器和智能片表里设在内的模块,具有超低功耗的特点[3]。
  (3)片内集成5通道dma;mac按时器;1个16位、两个8位通俗按时器;32khz睡眠按时器;电源办理与片内温度传感器;8通道12位ad转换器;看门狗等智能外设[3]。高密度集成化电路节约设想成本。
  (4)使用范畴包罗2.4g-hz ieee 802.15.4系统、rf4ce近程节制系统、zigbee收集、家居主动化、照明系统、工业测控、低功耗wsn等范畴[3]。
 

    cc2530芯片布局如图3所示。

  图3 cc2530片内功能模块图
  3.2硬件全体设想
  在收集节点硬件平台中,cc2530需要完成的功能以及外围模块次要有3个部门:经由a/d口节制传感器模块进行数据采集;节制无线rf模块完成数据收发;经由i/o口响应主机节制。传感器采集的数据也可经由i/o口与微处置器相连,经由rs232接口可完成收集节点与pc机的通信[3]。外围硬件电路道理图如图4所示。
  
 
  图4 收集节点硬件参考电路图
 
  由于cc2530芯片内集成为很多特色功能模块,因而,其典型的外围电路也就很是简练。此中,主时钟晶振采用32mhz无源晶振以及32.768khz时钟晶振;无线rf模块外围电路采用无巴伦的阻抗婚配收集,天线使用50欧鞭状负极性天线,具体的元器件封装消息拜见附表所示。
  

 
 
  附表 收集节点封装消息表
  为了更好提高芯片内部电压精度,输入电压应采用调制后的3.3v稳压电源,接内部参考电压的外围电阻r301精度要在0.5%以上,且选用质量较好的电感、电容等器件。为了唆使收集节点的运转情况,在硬件设想中插手两个情况唆使灯,使用220欧的限流电阻,别离接在微处置器芯片的p10、p11口,用于唆使设备入网、退网等情况,便当斥地人员察看,唆使灯为可选电路,可按照需求选择使用。

3.3 pcb设想

  cc2530的zigbee收集节点pcb设想是硬件设想的环节,它同时具有数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美好;在数字信号线走线上做到天然、滑润;高频部门包罗婚配电感、电容布局尽量独立、避免干扰,并合适天线特征;节点接口分布采用ti尺度接口形式,布局安定靠得住。由于cc2530集无线收发和微处置器于一体,只需要极少的外围帮助电路[3],因而pcb的设想要完全适合无线传感器收集使用。本设想中zigbee收集节点pcb图和实物如图5所示。pcb板的尺寸为长宽高25mm×41mm×1.6mm,接口为11×2双排插针,间距2.54mm。接口管脚定义为ti的尺度接口。
  
 
  图5 通信模块图
  3.4 硬件测试

  经实地丈量,在不加功率增益的环境下无效传输距离120米;最大输出功率10dbm;领受活络度-97dbmS忠淮桅耗方面:领受模式24ma,发送模式29ma,低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专注、接口安定通用的特点,8路模仿量输入接口,4路数字量输入输出接口,2路数字量输出接口和1个rs232接口。

  4 结束语
  本文引见了zigbee收集节点设想要求、机能特点与建立框架和较为详尽的设想过程;给出了外围电路的设想以及现实设想出的实物和元器件参数;无线射频部门的特点和pcb设想中的留意事项。