專利名稱：一種基于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無導(dǎo)線電氣線路表征的信號傳送裝置，尤其是涉及一種基 于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
技術(shù)背景隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通訊等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們己經(jīng)由PC時(shí)代和 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，進(jìn)入后PC時(shí)代，在這樣的一個(gè)時(shí)代背景下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信 息技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，逐漸成為計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中最具活力的領(lǐng)域，具 有廣闊的應(yīng)用前景。它綜合了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、無線通信和分布 式信息處理等四大技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)虛擬世界和物理世界實(shí)現(xiàn)了信息流的交互。可 以預(yù)見，在不久的將來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將改變?nèi)伺c自然界的交互方式，給我們 的生活方式帶來革命性的變化。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要 的技術(shù)之一。2003年2月份的美國《技術(shù)評論》雜志(《Technology Review》)) 評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。 簡單的說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū) 域內(nèi)的各種監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，然后傳送給需要這些信 息的用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式處理的特點(diǎn)帶來的監(jiān)測高精度、高容錯(cuò)性、大覆 蓋區(qū)域、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、可快速構(gòu)建、部署方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，不易受到目標(biāo)環(huán)境 的限制，特別適合布置在電源供給困難的區(qū)域或人員不易到達(dá)(環(huán)境惡劣地區(qū)、 敵軍陣地等)的區(qū)域，這些優(yōu)點(diǎn)使其能廣泛用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探 索及各種商業(yè)應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)既是信 息包的發(fā)起者，也是信息包的轉(zhuǎn)發(fā)者。節(jié)點(diǎn)以Ad-hoc方式將數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送， 再與外部網(wǎng)絡(luò)通信，如Iiitemet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò)。用節(jié)點(diǎn)中的傳 感器測量所處外部環(huán)境的各種信號，從而探測出眾多物質(zhì)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對所處環(huán) 境的監(jiān)測。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還存在諸多需要解決的問題節(jié)點(diǎn)的工作時(shí) 間有限，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命較短；數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘貌坏奖ＷC；節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)處理能力不強(qiáng)，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)丟失率較高等等。而且目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性和兼容性不強(qiáng)，其相應(yīng)的配件價(jià)格較貴，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于ZigBee的模塊 化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括射頻板和主板，射頻 板包括CC2420無線通信芯片和天線，CC2420無線通信芯片通過阻抗匹配電路 和天線相連接；主板包括Atmegal28L微處理器芯片，外部flash存儲器、電源 和LED燈、接插件、電平轉(zhuǎn)換芯片，Atmegal28L微處理器芯片分別與外部flash 存儲器、LED燈、51腳1/0接插件、JTAG接口和經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片與串口連接， 射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。所述的微處理器Atmegal28L的外圍電路，其10 13腳為SPI 口和CC2420 無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)SPI接口都連接一個(gè)電阻，第8， 17， 29， 31 腳也和CC2420無線通訊模塊相連接，23和24腳接主時(shí)鐘晶振7.3728MHZ， 18和19腳接32KHZ的輔時(shí)鐘晶振，49， 50， 51三個(gè)腳接LED燈，54 61腳 是8通道的ADC， 28， 29， 48三個(gè)腳和flash存儲器連接，2， 3兩腳和電平轉(zhuǎn) 換芯片連接。所述的無線射頻芯片CC2420的6， 7, 8腳通過阻抗匹配電路和天線相連接， 5腳和9腳和地相連接，27 34腳都是和微處理器相連接，37， 38腳接16M 的晶振，41， 42， 43是芯片內(nèi)部的電壓調(diào)整器。本實(shí)用新型具有的有益效果是1. 無線通信模塊采用全球首款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā) 芯片CC2420，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信采用ZigBee協(xié)議。(1) 節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上，采用ZigBee技術(shù)后， 將大大降低能量消耗，提高節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命。(2) ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，保證節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被 竊聽。(3) ZigBee采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專 用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功 能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息 傳輸?shù)目煽啃浴?. 節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，將射頻板和主板分離開，通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合， 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)樵诓煌膽?yīng)用場合對節(jié)點(diǎn)的能耗、采樣率、響應(yīng)時(shí)間和數(shù)據(jù)處理能力都有不同要求，節(jié)點(diǎn)應(yīng)可以按照功能拆分成多個(gè)組件，組件之間可 以通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合。這樣，在不同的應(yīng)用場合下，選擇不同的組件自由 配置系統(tǒng)就可以滿足要求，不必為每個(gè)應(yīng)用都開發(fā)一套新的硬件系統(tǒng)，這也有 助于控制成本。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也有效的減小了節(jié)點(diǎn)的體積。3.多種數(shù)據(jù)傳輸通道的設(shè)計(jì)，給了用戶多種程序下載和數(shù)據(jù)上傳的選擇?？?以通過JTAG下載程序，通過三腳的串口和上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，也可以通過51腳 1/0接插件下載程序和傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)和市場主流的傳感器板和編程板兼容。而 且和無線傳感器專用操作系統(tǒng)Tinyos兼容。

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型的微處理器Atmegal28L外圍電路原理圖。 圖3是本實(shí)用新型的無線射頻芯片CC2420外圍電路原理圖。 圖4是本實(shí)用新型的51腳連接器的原理圖。 圖5是本實(shí)用新型的電平轉(zhuǎn)換和串口的電路原理圖。 圖6是本實(shí)用新型的其它部件。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。如圖1所示，描述了節(jié)點(diǎn)的整體的結(jié)構(gòu)組成。從物理結(jié)構(gòu)上，分為主板和 射頻板。主板主要是數(shù)據(jù)的處理以及和上位機(jī)、傳感器板的數(shù)據(jù)傳輸。射頻板 用來無線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，和網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，組成網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，是微處理器Atmegal28L外圍電路連接。其中10 13腳為SPI 口，通過這個(gè)SPI 口和無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)SPI接口都連接一個(gè)電 阻，這個(gè)有消除干擾的作用。第8， 17， 29， 31腳也和無線通訊模塊相連接， 控制其數(shù)據(jù)傳輸和工作狀態(tài)。23和24腳接主時(shí)鐘晶振7.3728MHZ。 C35和C36 兩個(gè)電容用來配合晶振的工作。18和19腳接32KHZ的輔時(shí)鐘晶振。在正常工 作狀態(tài)下，采用主晶振的時(shí)鐘，當(dāng)ATmegal28L進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，采用低的時(shí) 鐘晶振，從而降低能耗。49， 50， 51三個(gè)腳接LED燈。這三個(gè)指示燈可以指示 節(jié)點(diǎn)的工作情況，也可以用來觀測程序在節(jié)點(diǎn)上的運(yùn)行。54 61腳是8通道的 ADC,接受傳感器板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。28， 29， 48這三個(gè)腳和flash連接，用來 控制flash存儲器以及和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示，，無線射頻采用全球首款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用 射頻收發(fā)芯片CC2420。 CC2420的6， 7， 8腳通過阻抗匹配電路和天線相連接。5腳、9腳和地相連接，起隔離的作用，用來保護(hù)射頻。27 34這些腳 都是和微處理器相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和接受控制。37、 38腳接一個(gè)16M的晶 振，提供工作頻率。41， 42， 43是芯片內(nèi)部的一個(gè)電壓調(diào)整器。輸入3V電壓， 輸出1.8V電壓。41腳是調(diào)整器的使能，由Atmegal28L控制，給高電平后，調(diào) 整器開始工作。43腳是3V電壓的輸入，42腳是1.8V電壓的輸出。芯片很多管 腳的工作電壓是1.8V，需將這些管腳與42腳連接起來。如圖4所示，描述了 51腳連接器的連接情況，51腳的連接器用來和傳感器 板和編程板連接，使節(jié)點(diǎn)和市場主流的傳感器板兼容。通過這個(gè)連接器，微處 理器可以和傳感器板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并控制傳感器板的工作。如圖5所示，U4的11， 12腳和微處理器的2， 3腳相連接。微處理器提供 的是TTL電平的串口接口，通過U4的電平轉(zhuǎn)換后，就可以和PC機(jī)的RS232 連接。方便了節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。如圖6所示，描述了節(jié)點(diǎn)其余的部件。D1 D4是LED指示燈。D2 D4如前 所述，是工作指示燈，Dl是電源指示燈。U3是flash存儲器，采用AT45DB041. 其中l(wèi)， 2， 4， 8腳和Atmegal281L連接，1腳和8腳是數(shù)據(jù)的傳輸。2腳是輸 入的時(shí)鐘信號，4腳是片選。Jl是電源，Sl是一個(gè)三角的電源開關(guān)?？紤]到成 本，這里從簡設(shè)計(jì)。3V電源和1.8V電源都通過一系列的的并聯(lián)電容接地。這 些大小不等的電容用來消除各種頻率的干擾。J6是12 口的標(biāo)準(zhǔn)接口，微處理器 就是通過這個(gè)接口和無線通信模塊連接的。除了前面所述的8個(gè)管腳，1腳接電 源，2腳接地。3腳是接CC2420的復(fù)位腳，4腳接CC2420芯片的電壓調(diào)整使 能接口41。這兩個(gè)腳都由微處理器控制。上述實(shí)施例用來解釋說明本實(shí)用新型，而不是對本實(shí)用新型進(jìn)行限制，在 本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本實(shí)用新型作出的任何修改和 改變，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1. 一種基于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于包括射頻板和主板，射頻板包括CC2420無線通信芯片和天線，CC2420無線通信芯片通過阻抗匹配電路和天線相連接；主板包括Atmega128L微處理器芯片，外部flash存儲器、電源和LED燈、接插件、電平轉(zhuǎn)換芯片，Atmega128L微處理器芯片分別與外部flash存儲器、LED燈、51腳I/O接插件、JTAG接口和經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片與串口連接，射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)， 其特征在于所述的微處理器Atmegal28L的外圍電路，其10 13腳為SPI 口 和CC2420無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)SPI接口都連接一個(gè)電阻，第8, 17， 29， 31腳也和CC2420無線通訊模塊相連接，23和24腳接主時(shí)鐘晶振 7.3728MHZ， 18和19腳接32KHZ的輔時(shí)鐘晶振，49， 50， 51三個(gè)腳接LED 燈，54 61腳是8通道的ADC， 28， 29， 48三個(gè)腳和flash存儲器連接，2， 3 兩腳和電平轉(zhuǎn)換芯片連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)， 其特征在于所述的無線射頻芯片CC2420的6， 7， 8腳通過阻抗匹配電路和天 線相連接，5腳和9腳和地相連接，27 34腳都是和微處理器相連接，37， 38腳接16M的晶振，41， 42， 43是芯片內(nèi)部的電壓調(diào)整器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于ZigBee的模塊化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。包括射頻板和主板，射頻板包括CC2420無線通信芯片和天線，CC2420無線通信芯片通過阻抗匹配電路和天線相連接；主板包括Atmega128L微處理器芯片，外部flash存儲器、電源和LED燈、接插件、電平轉(zhuǎn)換芯片，Atmega128L微處理器芯片分別與外部flash存儲器、LED燈、51腳I/O接插件、JTAG接口和經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片與串口連接，射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。主板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及和上位機(jī)、傳感器板的數(shù)據(jù)傳輸。射頻板是無線收發(fā)數(shù)據(jù)。兩板通過接插件連接，電源模塊為兩板提供能量。本實(shí)用新型的無線數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee協(xié)議。還設(shè)計(jì)了多種通道，供節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號H04L12/28GK201114137SQ20072011236
公開日2008年9月10日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者孫優(yōu)賢, 曹向輝, 迪 繆, 陳積明 申請人:浙江大學(xué)