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2002年英國Invensys、日本三菱電氣、美國Motorola三家公司宣布組成ZigBee技術聯盟，共同研究ZigBee技術。IEEE也于2003年制定了針對LR-WPAN(LowRate Wireless Personal Area Networks)的IEEE 802.15.4-2003無線規范，定義了一種新的無線設備的物理層和MAC層，并致力于開發一種可應用在固定、便攜或移動設備上的，低成本、低功耗和低速率的無線連接技術，其目標功能是自動化控制，采用DSSS擴頻技術，有效覆蓋范圍根據不同速率可達0～300 m。 IEEE 802.15.4-2003協議共規定了27個通信信道：868 MHz有1個，速率為20 kbps；915 MHz有lO個，速率為40kbps；2.45 GHz有16個，速率為250 kbps。支持星形、樹形和網狀3種拓撲結構，按照功能劃分網絡中有完全功能(FFD)和簡化功能(RFD)兩種不同類型的設備。為了簡化協議，IEEE 802.15.4-2003滿足OSI參考模型，規定了物理層和MAC層，每一層完成自身所規定的任務，并向上層提供服務任務接口。協議中數據通信方式可分為直接數據傳送和間接數據傳送兩種，并且以數據幀的形式打包發送出去。網絡可以在超幀和非超幀的模式下工作，為了提高其可靠性采用了CSMA／CA的媒質訪問控制機制、確認幀的應答方式和CRC-16 ITU的校驗機制，并可以加入一些數據加密和安全控制模式。出于低功耗、低成本考慮，物理層只有14條服務原語，MAC層有35條原語。與藍牙相比，這些原語只是它的1／3。 1 硬件電路設計 一般情況下IEEE802.15.4網絡設備的基本構成如圖1所示。系統的電源通常由電池提供，也可以由穩壓模塊供給。RF收發芯片負責射頻信號的產生和接收解調，其基準時鐘由外部高精度的晶體振蕩器提供；同時要實現一些物理層和MAC層的基本功能，例如編解碼、信道選擇、功率控制、接收機能量檢測(RSSI)、鏈路質量指示(LQI)、空閑信道評估(CCA)和硬件CRC校驗等。在實現這些基本功能的前提下，RF芯片應該盡量做到低功耗、高靈敏度和較小封裝。微控制器要有豐富的資源來完成對RF芯片的控制，以及對傳感器、各類應用接口和用戶接口的實時響應。通常協議棧需要占用32 KB左右的存儲空間。 1.1 AT86RF230性能和內部結構 Atmel公司的AT86RF230是與ZigBee／IEEE802.15.4兼容的無線射頻收發芯片。它工作在2.4 GHz ISM頻段，擁有104 dB鏈路預算，-101 dB的接收靈敏度和3 dB的傳輸功率，從而減少網絡中所需節點設備的總數，大大降低了IEEE 802.15.4系統的組網成本。所有RF關鍵器件(除了天線、晶振、去耦電容外)都集成在一塊芯片中，封裝形式采用32引腳、5 mm×5 mm×0.9 mm大小的QFN封裝。由該芯片所構成的設備僅需6個外部組件，功能框圖如圖2所示。終端節點通常是電池供電，發射模式下電流消耗為17 mA，接收模式下為15 mA，睡眠模式下儀為0.7μA；工作電壓可達1.8～3.6 V，內部有集成的1.8 V LDO。AT86RF230內部有35個可以通過SPI控制時序訪問的8位寄存器，工作時有8個基本狀態(可以根據需要擴展為14個)。片內發送數據和接收數據的緩沖分別為129字節和130字節，正好可以滿足IEEE802.15.4協議規定的最大幀長度127字節的要求。發送時需要加2字節的CRC16校驗碼，接收時還要多加1字節的鏈路質量指示。 1.2 網絡設備的硬件電路構成 硬件主要部分原理圖如圖3所示，模塊的數字接口為ATmega1281與AT86RF230之間的SPI接口以及其他4條控制線。AT-mega1281是Atmel公司的8位高性能的AVR單片機。其基本特征有：采用RISC構架，具有135條指令，工作在16 MHz時吞吐率可達16MIPS；片內具有128 KB Flash、4 KB片內E2PROM和8 KB SRAM，可以通過ISP或JTAG下載程序；工作頻率最高可達16 MHz，工作電壓為1.8～5.5 V，掉電模式下只有0.1μA的工作電流。在本設計中ATmega1281工作于內部為8 MHz的振蕩頻率下。 如果要采用與AT86RF230同步的外部時鐘信號，那么CLKM引腳應接到ATmega1281的XTAL1腳上，并且熔絲位要設置為外部時鐘。AT86RF230的各種工作狀態中斷信號由IRQ腳控制，這里接到ATmega128l的ICP1腳產生捕獲中斷，因為捕獲中斷可通過設置噪聲消除方式來減少外界的干擾，從而提高中斷的可靠性。有關AT86RF230寄存器SPI讀寫時序、狀態轉換圖及各種中斷控制的具體方法可以參閱參考文獻[4]。還需注意，AT86RF230所接外部晶振X1的長期工作頻率穩定度要小于等于40ppm，并根據晶振和芯片的驅動能力選擇合適的負載電容。 對于模擬部分設計，為了降低其他部分的干擾，提高RF性能，需要采取抗干擾措施。例如，模擬電源輸入端增加磁珠或電感；AT86RF230模擬地和數字地要分開布線，并在一點接地；為了減小分布參數的影響，鋪地要盡可能大，并且要適當打上過孔；濾波用的電容也要盡量靠近芯片。另外，要注意阻抗匹配，AT86RF230天線端口為2路100Ω的差分輸出，可直接接差分饋電的天線，但缺點是阻抗匹配和測試都比較困難，一般可以用巴倫把2路100Ω的差分輸出變換成一路50Ω輸出，然后接各類單端饋電的天線。在控制RF信號輸出腳PCB導線的阻抗時，可以采用圖4所示的模型。 根據選定參數使用Agilent公司提供的免費軟件Ap-pCAD，進入Passive Circuits界面選擇相應模型。本設計選用Coplanar Waveguide模型，輸入參數后便可計算出饋線的特性阻抗。若根據計算結果設計出的饋線實際測試情況阻抗達不到50Ω，則可以通過增加電感L2，及相應電容C1或C2來實現50Ω匹配。天線選型方面既可選用雙端100Ω的差分天線，也可選用50Ω的單端天線，只要按需增建雙端到單端變換的巴倫即可。使用偶極子或F型的PCB天線，優點是可以獲得相對較高的增益，抗干擾能力強；片狀天線體積小，但增益不高，易受干擾。 2 軟件設計 軟件開發環境為AVRSTUDIO+AVRGCC。這兩個軟件均是免費的。軟件設計主要包括射頻驅動、外圍電路控制和ZigBee協議棧設計3個部分。基于IEEE802.15.4協議的WPAN網絡中的協調器和網絡節點的軟件流程基本相同，只是網絡協調器要承擔網絡建立的功能，網絡節點則要承擔一些控制或測量的功能。為了與其他ZigBee產品相兼容，軟件設計必須嚴格遵守IEEE 802.15.4協議。本設計建立的網絡拓撲是非超幀結構的星形網絡，具體軟件流程如圖5所示。 基本過程為：網絡協調器首先初始化WPAN信息數據庫，建立ZigBee網絡，分配網絡ID號和16位網絡地址，初始化鄰居設備表，然后等待其他節點連接；網絡節點上電后，初始化內部資源、網絡節點的WPAN信息數據庫，發送掃描信號請求連接，連接成功后，記錄下網絡ID和分配好的16位網絡地址，按功能設定向協調器發送信息。因為網絡節點一般為電池供電，所以在空閑時要進入休眠節能狀態。外圍電路控制主要是針對傳感器、開關等器件的控制，可根據不同需求對軟件進行相應的修改。 3 測試結果及總結 對ZigBee／IEEE 802.15.4網絡設備性能評估，主要是測試它的發射功率、頻譜的相位噪聲、臨近信道干擾和通信距離等。因為AT86RF230沒有純載波的輸出模式，只能通過測試調制信號頻譜來分析輸出功率和最大增益點對應頻偏。圖6為第11信道2.405 GHz的調制信號輸出頻譜，從中可以看出最大功率所對應的頻點。在空曠環境中測試，距離150 m時通信的誤碼率可小于1％。系統在發射狀態下耗電為23.7 mA，接收時為21.78mA，休眠狀態下僅為2.5 μA。實驗結果證明，本文設計的基于AT86RF230收發器的WPAN網絡設備具有容錯性高、性能優越、超低功耗、價格低廉的優點，能夠滿足多種場合實際需求。通過不斷完善軟硬件設計，相信本系統的各項性能指標還可進一步提升。 |
