??? 摘? 要： 通過設計功率放大電路提高發射功率，選用較大增益和靈敏度的天線等方法提高通訊距離，并應用于多傳感器信號采集系統，實現了1.2km范圍內的ZigBee網絡構建、測控和文件傳輸等功能。?

??? 關鍵詞： ZigBee協議; 無線通訊; 高功率

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??? ZigBee技術是一種低功耗、近距離、低速率的無線雙向網絡通訊技術。其物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4（無線個人區域網）協議標準^[1]，并在此基礎上由ZigBee聯盟制定網絡層、應用會聚層和高層應用規范(API)。?

??? 但ZigBee協議的低功耗和高頻率限制了RF器件收發的覆蓋范圍，如果要在較大范圍內組建一個ZigBee網絡，通常有兩種方法：增加網絡節點，通過網絡路由層傳遞；增大發射功率，擴大覆蓋半徑。前者成本過高且對網絡的路由算法有較高的要求，給開發增加了一定的難度;后者成本相對低廉，比較容易實現。?

??? 本文利用ZigBee無線組網技術來構建通訊網絡，并通過高功率電路的設計，有效地實現大范圍的測控系統，開發了一套實用的現場監控系統。?

??? ZigBee軟件架構由物理/鏈路層、ZigBee協議層和應用層三部分組成，如圖1所示。ZigBee工作在2.4GHz的ISM免費頻段，其PHY層采用直接序列擴頻技術(Direct Sequence Spread Spectrum)。ZigBee協議棧的核心部分是網絡層。網絡層主要實現節點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能，支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網格（Mesh）等多種拓撲結構^[2]。網絡為主從結構，一個網絡有一個網絡協調者（Coordinator）負責網絡的建立與管理和最多可達65 535個從屬設備。?

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1 ZigBee高功率電路設計 ?

??? RF收發器選用英國 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機相連。芯片內有128位AES安全協處理器、96KB RAM靜態存儲器、64KB ROM程序存儲器。在設計電路時，考慮到平衡匹配，在RF收發端加入平衡轉換電路，同時考慮到時分雙工TDD原理，還需要加入雙向收發切換開關，開關信號由收發控制位來控制^[3]。高功率電路總體框架如圖2所示。?

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1.1 平衡轉換電路?

??? 本設計使用的是半波偶極天線，兩個饋電點的信號電壓（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，其內導體是饋電點，而外導體是地線點，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行平衡轉換。轉換器芯片選用HHM1521不平衡-平衡轉換器，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?

??? 發射功率放大電路的作用是通過功率放大器使無線發射功率放大到所期望的值。收發切換元件選用AS179-92 SPDT開關芯片，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構為基礎，保證了芯片的高性能和穩定性，可實現+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行增強。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，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具體應用研究?

2.1 系統設計?

??? 本設計是為了開發一套通用的現場無線傳感器采集系統，利用各種不同的傳感器獲得所需的參數并通過無線方式傳送給計算機監控管理系統。整個系統是基于星型網絡構建的，遠程無線監控單元的協調器負責建立網絡和接收數據，并通過串口傳送到遠程管理計算機，最多可同時允許254個終端節點加入網絡。每個終端可接收脈沖信號、電流信號和電壓信號，經過調理電路后與嵌入式系統相連，并將采集的數據通過路由節點發送給協調器。系統的設計框圖如圖5所示。?

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2.2 網絡重建?

??? 在ZigBee協議中，協調器作為網絡的中心，擔負著建立網絡和路由控制等功能，與網絡建立后加入的路由節點使用同一個網絡標識（PAN ID）。因此要求協調器必須保持工作狀態，才能保證網絡的穩定^[4]。如果協調器中途斷電或者關閉，路由節點不能自動識別并脫離網絡而繼續占用網絡標識，造成協調器重新上電后，無法使用設定好的網絡標識建立網絡。為了與實際工況相適應，要求終端節點可以長時間工作，并保存數據，而監控單元則可以隨時關機。為了保障網絡的穩定和系統的實用性，在路由節點增加了判斷功能，當協調器關機后，路由節點自動退出網絡進入休眠，經過給定的時間后重新等待加入網絡。?

??? 在偵聽的選擇上主要有兩種方式：(1)協調器應答方式。路由器發送查詢信號，協調器收到之后回復當前的網絡狀態;(2)路由器偵聽方式。協調器發送網絡狀態，路由器通過偵聽獲得網絡狀態。通過實際比較，路由器偵聽方式在多節點大量數據傳輸過程中，不能很好地定時發送網絡狀態。因此本設計最終選用協調器應答方式，其偵聽流程如圖6所示。?

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??? 協調器接收到查詢信號后，采用廣播方式應答，網絡中所有的下位機接收到應答信號或者網絡信號后將N置為5。對于網絡中不同的下位機，分別將其等待時間設定為間隔50ms的差值序列，其最小值為Tmin。在協調器正常工作時，網絡每間隔Tmin才有一個應答信號，保證了網絡的帶寬。?

2.3 文件傳輸?

??? ZigBee協議棧提供了關于數據完整性的檢查機制，若終端設備想要發送數據幀時，只需等待信道變為空閑，在檢測接收方信道為空閑時，即發送數據幀。當發送數據后偵聽接收方的響應，如果響應超時則重復發送該數據。同時為了保障傳送測試數據的實時性，對重復次數進行了一定的限制,這在很大程度上保障了數據的完整性和傳感網絡的實時性。但是由于無線方式受外界影響較大，在環境條件惡劣的地方會產生一定的丟包率。?

??? 測控系統要求提供實時監控數據和文件數據。傳輸的文件數據量大、發送時間較長，在傳輸過程中，多節點（1～254）同時發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，要對接收的文件數據進行校驗。因此需要統一文件數據保存格式，通過逐條校驗數據序列號的方式確保文件完整性。當傳送文件完成后，監控管理計算機提取接收到的文件數據后逐條校驗，將出錯的數據序列號逐條發送到下位機,請求下位機重新傳輸。發送文件數據時，ZigBee數據幀結構如表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，可以實現較遠的通訊距離和良好的通訊效果。利用設計的高功率電路和Jennic提供的低功率模塊分別對多組天線進行野外實際綜合測試，最終選取適合本設計通訊距離要求的天線組合。其中網絡建立距離為網絡可以快速建立的最大距離，?測試傳輸距離為選取通訊質量良好的實際距離。以下是對1萬組數據進行10次傳輸所得的試驗結果，其中數據長度為120B，發送間隔為5ms，將10次傳輸總的丟包數除以發送總包數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計的有效性，同時確定在協調器上選用增益為7dBi的TQC-2400A車臺天線，在節點上選用3dBi的鞭狀天線。?

??? 本設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幾公里內的無線傳輸。?

參考文獻?

[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無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表,2005,26(6):5-9.?

[4]?方舒,張輝全.2.4G射頻雙向功放的設計與實現[J]. 世界電子元器件, 2007,5(13)：46-49.?