CN101325425A - 一种ZigBee无线传感器网络通信模块 - Google Patents

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邓志东
裴忠民
成小良
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Abstract

本发明涉及一种ZigBee无线传感器网络通信模块，包括：天线单元，对无线信号进行接收及发送；射频功率放大单元，与天线单元连接，对待发送的无线信号进行功率放大；微控制器通信单元，基于ZigBee协议标准，对经天线单元和射频功率放大单元接收到的无线数据包进行接收处理，或对待发送的无线数据包进行发送处理后输出至射频功率放大单元；通用接口单元，与微控制器通信单元连接，用于连接传感器进行数据采集。本发明的无线传感器网络通信模块，通过将传感器板插接至通用接口单元，可实现不同类型的传感器节点，具有较强的复用性；另外，通过射频功率放大单元的设置，可增大模块的通信距离，从而满足多种恶劣环境下无线传感器网络的应用。

Description

一种ZigBee无线传感器网络通信模块
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种支持Bee-stack协议栈、可复用易组装的ZigBee(紫蜂)无线传感器网络通信模块。
背景技术
近年来，短距离WPAN(Wireless Personal Area Network，无线个域网)通信技术得到了迅猛发展。无线传感器网络技术经过多年的研究，已开始由实验室步入工业应用领域，在消费电子、家居和建筑自动化、医疗健康监护、环境监测、智能交通、汽车电子、工业控制、机器人系统、军事等领域中得到越来越普遍的应用。ZigBee协议是基于满足IEEE 802.15.4规范的MAC(Media Access Control，介质访问控制层)和PHY(Physical Layer，物理层)实现WPAN的自组织网络层协议，具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点。目前，针对符合ZigBee标准的无线传感器网络通信节点和模块的研发，得到了日益广泛的重视，而我国还没有真正意义上的适用于无线传感器网络应用的ZigBee通信模块。
由于无线传感器网络具有应用相关性的特点，现有技术中已经出现的基于ZigBee的节点模块，传感器和通信模块均为一体化设计；其硬件体系结构不具有可扩展性和复用性，仅适用于自身特定项目的应用，在更改传感器类型的情况下，需要重新进行硬件设计。
另外，目前已有的ZigBee通信模块，硬件大多基于ZigBee射频规范的标准设计，发射功率为0dBm，通信距离为75米左右。在许多恶劣的自然环境下，如煤矿井下、沼泽地、海路运输等，无线信号由于大气吸收、折射、漫反射、盐雾等原因将严重衰减，传感器节点间的通信距离会大大降低。同时，在室内应用环境下，同样存在因建筑物遮挡、电磁干扰使得信号强度衰减的问题。信号强度的衰减使得多跳的无线传感器网络应用面临严峻挑战，同样数量节点的网络覆盖范围会大大缩减，同时网络的可靠性与鲁棒性也会大打折扣。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种ZigBee无线传感器网络通信模块，已解决现有技术中已有ZigBee通信模块不具备可复用性及通信距离较短的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明的技术方案提供一种ZigBee无线传感器网络通信模块，包括：
天线单元，对无线信号进行接收及发送；
射频功率放大单元，与所述天线单元连接，对待发送的所述无线信号进行功率放大；
微控制器通信单元，基于ZigBee协议标准，对经所述天线单元及射频功率放大单元接收到的无线数据包进行接收处理，或对待发送的无线数据包进行发送处理后输出至所述射频功率放大单元；
通用接口单元，与所述微控制器通信单元连接，用于连接传感器进行数据采集。
上述的通信模块中，所述射频功率放大单元包括：
均衡器，对所述接收到的无线信号进行阻抗匹配及信号平衡；
组合开关，分别与所述均衡器及功率放大器相连，用于无线信号发送或接收状态的自动切换；
功率放大器，用于无线信号的功率放大。
上述的通信模块中，所述均衡器选用LDB212g4005C-001型片状多层混合均衡器。
上述的通信模块中，所述组合开关选用HWS408型高频开关芯片。
上述的通信模块中，所述功率放大器选用AP1110型2.4G放大芯片。
上述的通信模块中，所述微控制器通信单元采用系统级封装技术进行封装。
上述的通信模块中，所述微控制器通信单元选用飞思卡尔公司的MC13213芯片。
上述的通信模块中，所述通用接口单元进一步包括：
传感器接口，用于插接传感器板，进行传感器数据的采样；
背景调试模式接口，用于向所述微控制器通信单元进行数据采集与通讯接口程序的上载及擦除；
电源接口，用于插接通用电源板对所述通信模块及所述插接的传感器板进行供电。
上述的通信模块中，所述通用接口单元支持多层插接。
上述的通信模块中，所述天线单元支持外接SMA吸盘天线、陶瓷天线或PCB类型的F型天线。
(三)有益效果
本发明ZigBee无线传感器网络通信模块的技术方案，通过将传感器板插接至通用接口单元，可实现不同类型的传感器节点，具有较强的复用性；另外，通过射频功率放大单元的设置，可增大模块的通信距离，从而满足多种恶劣环境下无线传感器网络的应用。
附图说明
图1为本发明ZigBee无线传感器网络通信模块的实施例结构图；
图2为图1所示通信模块实施例的电路原理图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明ZigBee无线传感器网络通信模块的实施例结构图，如图所示，本实施例的通信模块包括：天线单元11，用于对无线信号进行接收及发送，其可支持外接SMA(Sub-Miniature-A，小型射频同轴连接器)吸盘天线、陶瓷天线以及PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)类型的F型天线；射频功率放大单元12，与天线单元11连接，对待发送的无线信号进行功率放大；微控制器通信单元13，采用SiP(System in Package，系统级封装)技术进行封装，其基于ZigBee协议标准，对经天线单元11和射频功率放大单元12接收到的无线数据包进行接收处理，或对待发送的无线数据包进行发送处理后输出至射频功率放大单元12；通用接口单元14，与微控制器通信单元13连接，用于连接传感器进行数据采集。图2为上述通信模块实施例的电路原理图。如图所示，天线单元11与射频功率放大单元12直接通过射频阻抗匹配电路相连，射频功率放大单元12和微控制器通信单元13，通过芯片射频信号输入、输出管脚相连，微控制器通信单元13和通用接口单元14通过芯片的管脚直接相连。
其中，射频功率放大单元12进一步包括均衡器121、组合开关122及功率放大器123。均衡器121和组合开关122相连，组合开关122和功率放大器123相连。均衡器121具有阻抗匹配和信号平衡作用，实现射频管脚差分信号阻抗和50ohm单一信号的平衡以及阻抗匹配；组合开关122实现模块通信时的发送与接收自动切换，用于解决ZigBee芯片半双工工作模式所带来的不便；功率放大器123实现2.4GHz无线信号的功率放大，具有23db放大增益。如图2所示，本实施例中，均衡器121选用LDB212g4005C-001型片状多层混合均衡器，该芯片在25摄氏度，插入损耗最大为0.8dB，在85摄氏度条件下最大为0.9dB，平衡阻抗为50ohm；组合开关122选用HWS408型高频开关芯片，该芯片具有低功耗、低插入损耗、开关时间短的特性，插入损耗范围为0.4dB-0.6dB，开切换时间为20纳秒。功率放大器123选用AP1110型2.4GHz放大芯片，该芯片具有典型值26dB增益，针对WPAN应用，在18.5dBm条件下具有85mA电流消耗。通过上述射频功率放大单元12实现对无线信号的放大，可使本发明ZigBee无线传感器网络通信模块在空旷通视环境下达到400米左右的点对点通信距离。
通用接口单元14则进一步包括：传感器接口141，用于插接传感器板，进行传感器数据的采样；BDM(Background Debug Mode，背景调试模式)接口142，用于向微控制器通信单元13进行数据采集与通讯接口程序的上载及擦除，其可以借助飞思卡尔公司的Multilink调试工具实现；电源接口143，用于插接通用电源板对通信模块及插接的传感器板进行供电。本实施例的通用接口单元14可选用41pin(引脚)表贴器件与微控制器通信单元13的主芯片管脚相连；并可多层插接，支持模拟量、数字量、I2C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路)、按键、外部中断、两路串口信号的输入，同时可向传感器提供时钟。电源接口143支持通用3.3V、5V、9V、12V直流电源的输入，通过多层插接方便各类传感器供电，从而可增强通信模块的可复用性及可扩展性。
如图2所示，本实施例的通信模块中，SiP封装的微控制器通信单元13可选用飞思卡尔公司生产的MC13213芯片，该芯片具有8位微控制器计算能力和ZigBee短距离通信能力，具备60KB flash和4KB RAM的存储能力，并支持16MHz单一晶振系统时钟结构。
上述本发明ZigBee无线传感器网络通信模块的实施例，在通过电源板的供电后具有计算及通信能力，在加载Bee-stack协议栈后具有ZigBee组网能力；再通过与传感器板插接，可实现传感器数据的采集，由此可以快速构成各种类型的无线传感器网络节点。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1、一种ZigBee无线传感器网络通信模块，其特征在于，包括：
天线单元，对无线信号进行接收及发送；
射频功率放大单元，与所述天线单元连接，对待发送的所述无线信号进行功率放大；
微控制器通信单元，基于ZigBee协议标准，对经所述天线单元及射频功率放大单元接收到的无线数据包进行接收处理，或对待发送的无线数据包进行发送处理后输出至所述射频功率放大单元；
通用接口单元，与所述微控制器通信单元连接，用于连接传感器进行数据采集。
2、如权利要求1所述的通信模块，其特征在于，所述射频功率放大单元包括：
均衡器，对所述接收到的无线信号进行阻抗匹配及信号平衡；
组合开关，分别与所述均衡器及功率放大器相连，用于无线信号发送或接收状态的自动切换；
功率放大器，用于无线信号的功率放大。
3、如权利要求2所述的通信模块，其特征在于，所述均衡器选用LDB212g4005C-001型片状多层混合均衡器。
4、如权利要求2所述的通信模块，其特征在于，所述组合开关选用HWS408型高频开关芯片。
5、如权利要求2所述的通信模块，其特征在于，所述功率放大器选用AP1110型2.4G放大芯片。
6、如权利要求1所述的通信模块，其特征在于，所述微控制器通信单元采用系统级封装技术进行封装。
7、如权利要求6所述的通信模块，其特征在于，所述微控制器通信单元选用飞思卡尔公司的MC13213芯片。
8、如权利要求1所述的通信模块，其特征在于，所述通用接口单元进一步包括：
传感器接口，用于插接传感器板，进行传感器数据的采样；
背景调试模式接口，用于向所述微控制器通信单元进行数据采集与通讯接口程序的上载及擦除；
电源接口，用于插接通用电源板对所述通信模块及所述插接的传感器板进行供电。
9、如权利要求8所述的通信模块，其特征在于，所述通用接口单元支持多层插接。
10、如权利要求1～9任一项所述的通信模块，其特征在于，所述天线单元支持外接SMA吸盘天线、陶瓷天线或PCB类型的F型天线。
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