專(zhuān)利名稱(chēng)：一種ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種支持Bee-stack協(xié) 5議棧、可復(fù)用易組裝的ZigBee (紫蜂)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，短距離WPAN ( Wireless Personal Area Network ，無(wú)線個(gè)域網(wǎng))通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研 究，已開(kāi)始由實(shí)驗(yàn)室步入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在消費(fèi)電子、家居和建筑自io動(dòng)化、醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能交通、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、 機(jī)器人系統(tǒng)、軍事等領(lǐng)域中得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。ZigBee協(xié)議是 基于滿(mǎn)足正EE 802.15.4規(guī)范的MAC ( Media Access Control,介質(zhì)訪 問(wèn)控制層)和PHY ( Physical Layer,物理層)實(shí)現(xiàn)WPAN的自組織 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本is 的特點(diǎn)。目前，針對(duì)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)和 模塊的研發(fā)，得到了日益廣泛的重視，而我國(guó)還沒(méi)有真正意義上的適 用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的ZigBee通信模塊。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用相關(guān)性的特點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)出 現(xiàn)的基于ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊，傳感器和通信模塊均為一體化設(shè)計(jì)；20 其硬件體系結(jié)構(gòu)不具有可擴(kuò)展性和復(fù)用性，僅適用于自身特定項(xiàng)目的 應(yīng)用，在更改傳感器類(lèi)型的情況下，需要重新進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。另外，目前已有的ZigBee通信模塊，硬件大多基于ZigBee射頻 規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，發(fā)射功率為0dBm，通信距離為75米左右。在許 多惡劣的自然環(huán)境下，如煤礦井下、沼澤地、海路運(yùn)輸?shù)?，無(wú)線信號(hào)25由于大氣吸收、折射、漫反射、鹽霧等原因?qū)?yán)重衰減，傳感器節(jié)點(diǎn) 間的通信距離會(huì)大大降低。同時(shí)，在室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境下，同樣存在因建筑物遮擋、電磁干擾使得信號(hào)強(qiáng)度衰減的問(wèn)題。信號(hào)強(qiáng)度的衰減使得 多跳的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同樣數(shù)量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋 范圍會(huì)大大縮減，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的可靠性與魯棒性也會(huì)大打折扣。發(fā)明內(nèi)容(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，已 解決現(xiàn)有技術(shù)中已有ZigBee通信模塊不具備可復(fù)用性及通信距離較 短的問(wèn)題。(二) 技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種ZigBee無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，包括天線單元，對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行接收及發(fā)送；射頻功率放大單元，與所述天線單元連接，對(duì)待發(fā)送的所述無(wú)線 信號(hào)進(jìn)行功率放大；微控制器通信單元，基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)所述天線單元 及射頻功率放大單元接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收處理，或?qū)Υl(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送處理后輸出至所述射頻功率放大單元；通用接口單元，與所述微控制器通信單元連接，用于連接傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集。上述的通信模塊中，所述射頻功率放大單元包括均衡器，對(duì)所述接收到的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配及信號(hào)平衡；組合開(kāi)關(guān)，分別與所述均衡器及功率放大器相連，用于無(wú)線信號(hào)發(fā)送或接收狀態(tài)的自動(dòng)切換；功率放大器，用于無(wú)線信號(hào)的功率放大。上述的通信模塊中，所述均衡器選用LDB212g4005C-001型片狀 多層混合均衡器。上述的通信模塊中，所述組合開(kāi)關(guān)選用HWS408型高頻開(kāi)關(guān)芯上述的通信模塊中，所述功率放大器選用AP1110型2.4G放大芯片。上述的通信模塊中，所述微控制器通信單元釆用系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)5進(jìn)行封裝。上述的通信模塊中，所述微控制器通信單元選用飛思卡爾公司的MC13213芯片。上述的通信模塊中，所述通用接口單元進(jìn)一步包括 傳感器接口，用于插接傳感器板，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的釆樣； io 背景調(diào)試模式接口，用于向所述微控制器通信單元進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集與通訊接口程序的上載及擦除；電源接口，用于插接通用電源板對(duì)所述通信模塊及所述插接的傳 感器板進(jìn)行供電。上述的通信模塊中，所述通用接口單元支持多層插接。 15 上述的通信模塊中，所述天線單元支持外接SMA吸盤(pán)天線、陶瓷天線或PCB類(lèi)型的F型天線。 (三)有益效果本發(fā)明ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊的技術(shù)方案，通過(guò)將傳 感器板插接至通用接口單元，可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)，具有較 20強(qiáng)的復(fù)用性；另外，通過(guò)射頻功率放大單元的設(shè)置，可增大模塊的通 信距離，從而滿(mǎn)足多種惡劣環(huán)境下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖； 圖2為圖1所示通信模塊實(shí)施例的電路原理圖。2具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，本實(shí)施例的通信模塊包括天線單元11，用于對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行接收及發(fā)送，其可支持外接SMA ( Sub-Miniature-A,小型射 頻同軸連接器)吸盤(pán)天線、陶瓷天線以及PCB( Printed Circuit Board, 印刷電路板)類(lèi)型的F型天線；射頻功率放大單元12,與天線單元 5 11連接，對(duì)待發(fā)送的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行功率放大；微控制器通信單元13， 釆用SiP (System in Package,系統(tǒng)級(jí)封裝)技術(shù)進(jìn)行封裝，其基于 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)天線單元11和射頻功率放大單元12接收到的 無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收處理，或?qū)Υl(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送處理后 輸出至射頻功率放大單元12;通用接口單元14，與微控制器通信單io元13連接，用于連接傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集。圖2為上述通信模塊實(shí) 施例的電路原理圖。如圖所示，天線單元11與射頻功率放大單元12 直接通過(guò)射頻阻抗匹配電路相連，射頻功率放大單元12和微控制器 通信單元13，通過(guò)芯片射頻信號(hào)輸入、輸出管腳相連，微控制器通 信單元13和通用接口單元14通過(guò)芯片的管腳直接相連。15 其中，射頻功率放大單元12進(jìn)一步包括均衡器121、組合開(kāi)關(guān)122及功率放大器123。均衡器121和組合開(kāi)關(guān)122相連，組合開(kāi)關(guān) 122和功率放大器123相連。均衡器121具有阻抗匹配和信號(hào)平衡作 用，實(shí)現(xiàn)射頻管腳差分信號(hào)阻抗和50ohm單一信號(hào)的平衡以及阻抗 匹配；組合開(kāi)關(guān)122實(shí)現(xiàn)模塊通信時(shí)的發(fā)送與接收自動(dòng)切換，用于解20 決ZigBee芯片半雙工工作模式所帶來(lái)的不便；功率放大器123實(shí)現(xiàn) 2.4GHz無(wú)線信號(hào)的功率放大，具有23db放大增益。如圖2所示，本 實(shí)施例中，均衡器121選用LDB212g4005C-001型片狀多層混合均衡 器，該芯片在25攝氏度，插入損耗最大為0.8dB，在85攝氏度條件 下最大為0.9dB，平衡阻抗為50ohm;組合開(kāi)關(guān)122選用HWS408型25高頻開(kāi)關(guān)芯片，該芯片具有低功耗、低插入損耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間短的特性， 插入損耗范圍為0.4dB-0.6dB,開(kāi)切換時(shí)間為20納秒。功率放大器123 選用API 110型2.4GHz放大芯片，該芯片具有典型值26dB增益，針對(duì)WPAN應(yīng)用，在18.5dBm條件下具有85mA電流消耗。通過(guò)上 述射頻功率放大單元12實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線信號(hào)的放大，可使本發(fā)明ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊在空曠通視環(huán)境下達(dá)到400米左右的點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)通信距離。5 通用接口單元14則進(jìn)一步包括傳感器接口 141，用于插接傳感器板，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的釆樣；BDM (Background Debug Mode, 背景調(diào)試模式)接口 142,用于向微控制器通信單元13進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集與通訊接口程序的上載及擦除，其可以借助飛思卡爾公司的 Multilink調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)；電源接口 143，用于插接通用電源板對(duì)通信io 模塊及插接的傳感器板進(jìn)行供電。本實(shí)施例的通用接口單元14可選 用41 pin (引腳)表貼器件與微控制器通信單元13的主芯片管腳相 連；并可多層插接，支持模擬量、數(shù)字量、I2C( Inter-Integrated Circuit, 內(nèi)部集成電路)、按鍵、外部中斷、兩路串口信號(hào)的輸入，同時(shí)可向 傳感器提供時(shí)鐘。電源接口 143支持通用3.3V、 5V、 9V、 12V直流15電源的輸入，通過(guò)多層插接方便各類(lèi)傳感器供電，從而可增強(qiáng)通信模 塊的可復(fù)用性及可擴(kuò)展性。如圖2所示，本實(shí)施例的通信模塊中，SiP封裝的微控制器通信 單元13可選用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC13213芯片，該芯片具有8 位微控制器計(jì)算能力和ZigBee短距離通信能力，具備60KB flash和204KBRAM的存儲(chǔ)能力，并支持16MHz單一晶振系統(tǒng)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。上述本發(fā)明ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實(shí)施例，在通過(guò) 電源板的供電后具有計(jì)算及通信能力，在加載Bee-stack協(xié)議棧后具 有ZigBee組網(wǎng)能力；再通過(guò)與傳感器板插接，可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的 釆集，由此可以快速構(gòu)成各種類(lèi)型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。25 以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠顯而易見(jiàn)地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍。8
權(quán)利要求
1、一種ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，其特征在于，包括天線單元，對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行接收及發(fā)送；射頻功率放大單元，與所述天線單元連接，對(duì)待發(fā)送的所述無(wú)線信號(hào)進(jìn)行功率放大；微控制器通信單元，基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)所述天線單元及射頻功率放大單元接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收處理，或?qū)Υl(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送處理后輸出至所述射頻功率放大單元；通用接口單元，與所述微控制器通信單元連接，用于連接傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
2、 如權(quán)利要求1所述的通信模塊，其特征在于，所述射頻功率 放大單元包括均衡器，對(duì)所述接收到的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配及信號(hào)平衡； 15 組合開(kāi)關(guān)，分別與所述均衡器及功率放大器相連，用于無(wú)線信號(hào)發(fā)送或接收狀態(tài)的自動(dòng)切換；功率放大器，用于無(wú)線信號(hào)的功率放大。
3、 如權(quán)利要求2所述的通信模塊，其特征在于，所述均衡器選 用LDB212g4005C-001型片狀多層混合均衡器。
4、如權(quán)利要求2所述的通信模塊，其特征在于，所述組合開(kāi)關(guān)選用HWS408型高頻開(kāi)關(guān)芯片。
5、 如權(quán)利要求2所述的通信模塊，其特征在于，所述功率放大 器選用AP1110型2.4G放大芯片。
6、 如權(quán)利要求1所述的通信模塊，其特征在于，所述微控制器 25通信單元釆用系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)進(jìn)行封裝。
7、 如權(quán)利要求6所述的通信模塊，其特征在于，所述微控制器 通信單元選用飛思卡爾公司的MC13213芯片。
8、 如權(quán)利要求1所述的通信模塊，其特征在于，所述通用接口單元進(jìn)一步包括傳感器接口，用于插接傳感器板，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采樣； 背景調(diào)試模式接口，用于向所述微控制器通信單元進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集與通訊接口程序的上載及擦除； 電源接口 ，用于插接通用電源板對(duì)所述通信模塊及所述插接的傳感器板進(jìn)行供電。
9、 如權(quán)利要求8所述的通信模塊，其特征在于，所述通用接口單元支持多層插接。
10、 如權(quán)利要求1 9任一項(xiàng)所述的通信模塊，其特征在于，所述 io天線單元支持外接SMA吸盤(pán)天線、陶瓷天線或PCB類(lèi)型的F型天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，包括天線單元，對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行接收及發(fā)送；射頻功率放大單元，與天線單元連接，對(duì)待發(fā)送的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行功率放大；微控制器通信單元，基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)天線單元和射頻功率放大單元接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收處理，或?qū)Υl(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送處理后輸出至射頻功率放大單元；通用接口單元，與微控制器通信單元連接，用于連接傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，通過(guò)將傳感器板插接至通用接口單元，可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的復(fù)用性；另外，通過(guò)射頻功率放大單元的設(shè)置，可增大模塊的通信距離，從而滿(mǎn)足多種惡劣環(huán)境下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04B1/54GK101325425SQ20081011723
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者成小良, 裴忠民, 鄧志東 申請(qǐng)人:清華大學(xué)