CN104219792A

CN104219792A - 一种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统

Info

Publication number: CN104219792A
Application number: CN201410425530.0A
Authority: CN
Inventors: 李喆; 谭德宝; 邓佩刚; 杨政; 申郡洪; 张穗; 陈蓓青; 文雄飞; 向大亨
Original assignee: Rx Microsystems Wuhan China Co ltd; Changjiang River Scientific Research Institute Changjiang Water Resources Commission
Current assignee: Rx Microsystems Wuhan China Co ltd; Changjiang River Scientific Research Institute Changjiang Water Resources Commission; Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2014-12-17

Abstract

本发明提出了一种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统，该Zigbee变频无线传输设备包括第一本地振荡器以及依次连接的Zigbee芯片、第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、LC匹配器以及中频天线，第一本地振荡器连接第一混频器。通过上述方式，本发明的Zigbee变频无线传输设备中将Zigbee芯片的高频传输模式改成了中频传输，因此信号的传递距离变远，跨越障碍的能力变强，又保存了Zigbee自组网的优点，是一种中短途信号传输效果优秀的设备。

Description

一种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统

技术领域

本发明涉及一种无线传输设备，特别涉及一种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统。

背景技术

Zigbee是基于IEEE 802.15.42标准的低功耗个域网协议，2000年12月，IEEE 802无线个域网(WPAN，Wireless Personal Area Network)小组成立，致力于WPAN无线传输协议的建立。2003年12月，IEEE正式发布了该技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE 802.15.4协议标准，作为Zigbee技术的网络层和媒体接入层的标准协议。2004年12月，Zigbee联盟在IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)的基础上定义了网络层和应用层，正式发布了基于IEEE 802.15.4的Zigbee标准协议。

Zigbee技术是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2000年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗小的无线通信技术。

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、路由器(Router)、终端节点(End Device)等三种角色。中国物联网校企联盟认为：Zigbee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。Zigbee网络是一种高可靠无线数传网络，在水文水利、智能家居、农业、医疗、商业等场所都能发挥很大的作用，它能利用相应传感器实时准确的自动化采集数据和控制数据传输，与远程监控平台建立通信，方便远程监控平台来监测和控制整个网络系统。Zigbee网络是一个由可最多可达65000个无线数传模块(俗称节点)组成的一个无线数传网络平台，各节点都被分配了固定的IP地址，每一个ZigBee网络节点之间可以相互通信，ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其它网络节点传过来的数据。

Zigbee网络一般采用树型状和星型状来组网，因其自身工作于2.4GHz频段，相对于其它中低频段信号，具有穿透能力强，绕射能力差，气候恶劣时无线通信信号衰减大等特点，在小范围、通信短距离的室内场所能发挥重大作用，但是在户外环境下，环境变幻莫测、中远距离传输时随着网络节点数目的增加和中转次数增多，数据传输时延会大大增加，无线信号衰减会大大增大，这种情况下Zigbee自组网的特点便无法发挥出来。

并且，在一些水质监测等需要进行水下监测时，Zigbee网络的数据传输距离过近将成为一个大问题，而Zigbee自组网又是一个极其优秀的数据通信网络，另人难以取舍。

故针对上述问题，有必要设计一款新的Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统来弥补上述缺陷。

发明内容

本发明提出一种Zigbee变频无线传输设备及应用该设备的水下监测系统，该设备将主要应用于物联网的传感节点器件上，这类传感节点的通讯特点是传输速率不高，并发数据传输的情况很少。使用本发明的结构，能解决现有技术中Zigbee自组网的传输距离过短的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：提供一种Zigbee变频无线传输设备，该Zigbee变频无线传输设备包括第一本地振荡器以及依次连接的Zigbee芯片、第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、LC匹配器以及中频天线，第一本地振荡器连接第一混频器。

进一步，Zigbee变频无线传输设备进一步包括射频开关，射频开关设置于LC匹配器以及中频天线之间，射频开关一端连接中频天线，另一端选择性连接LC匹配器。

进一步，Zigbee变频无线传输设备进一步包括第二本地振荡器、连接Zigbee芯片的射频滤波器、连接射频滤波器的第二混频器、连接第二混频器的低噪声放大器、连接低噪声放大器的第二中频滤波器，射频开关的另一端进一步在LC匹配器与第二中频滤波器中选择性连接，第二本地振荡器连接第二混频器，第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、LC匹配器、射频滤波器、第二混频器、第二本地振荡器、低噪声放大器、第二中频滤波器、射频开关以及中频天线组成变频模块。

进一步，Zigbee变频无线传输设备进一步包括连接上述各部件的电源系统。

进一步，电源系统包括依次连接的太阳能板、蓄电池以及系统电源。

本发明的另一技术方案是这样实现的：提供一种水下监测系统，该水下监测系统包括水质多功能探头、与水质多功能探头连接的Zigbee终端节点、与的Zigbee终端节点信号连接的Zigbee路由器、与Zigbee路由器信号连接的Zigbee协调器、与Zigbee协调器连接的GPRS网关以及与GPRS网关通过GPRS网络连接的监测中心，水质多功能探头所获取的数据通过Zigbee终端节点、Zigbee路由器、Zigbee协调器以及GPRS网关后传输至监测中心，其中，Zigbee终端节点中包括上述任意一项的Zigbee变频无线传输设备，Zigbee路由器以及Zigbee协调器中包括上述任意一项的Zigbee变频无线传输设备。

其中于，GPRS网关以及监测中心之间通过基站进行信号中转。

其中，水下监测系统进一步包括数据中心，与监测中心网络连接，用于获取监测中心的数据并记录。

其中，数据中心与监测中心通过因特网连接。

其中，每一水质多功能探头对应一个Zigbee终端节点，每一Zigbee协调器信号连接多个Zigbee路由器，每一Zigbee路由器信号连接多个Zigbee终端节点

通过上述方式，本发明的Zigbee变频无线传输设备中将Zigbee芯片的高频传输模式改成了中频传输，因此信号的传递距离变远，跨越障碍的能力变强，又保存了Zigbee自组网的优点，是一种中短途信号传输效果优秀的设备。并且，将此Zigbee变频无线传输设备应用于水下监测，例如水质的监测等，会使的水质监测能够更方便进行远距离监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的Zigbee变频无线传输设备的一优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的水下监测系统的一优选实施例的结构示意图；

图3是图1中的单个射频器件噪声系数和系统级联总噪声系数示意图；

图4是Zigbee变频模块的频率变换图；

图5是本发明的Zigbee变频无线传输设备中无线通信信号在自由空间中传输损耗示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明的Zigbee变频无线传输设备的一优选实施例的结构示意图。在本实施例中。Zigbee变频无线传输设备10包括Zigbee芯片110、第一本地振荡器112第一混频器111、第一中频滤波器113、功率放大器114、LC匹配器115、射频开关116、第二本地振荡器120、射频滤波器118、第二混频器119、低噪声放大器121、第二中频滤波器122以及中频天线117。

第一本地振荡器112连接第一混频器111。射频开关116设置于LC匹配器115以及中频天线117之间。射频开关116一端连接中频天线117，另一端选择性连接LC匹配器115。Zigbee芯片110、第一混频器111、第一中频滤波器113、功率放大器114、LC匹配器115依次连接。

射频滤波器118连接Zigbee芯片110，第二混频器119连接射频滤波器118、低噪声放大器121连接第二混频器119，第二中频滤波器122连接低噪声放大器121。射频开关116的另一端进一步在LC匹配器115与第二中频滤波器122中选择性连接。第二本地振荡器120连接第二混频器119。

在本实施例中，Zigbee变频无线传输设备10还包括连接上述各部件的电源系统20。电源系统包括依次连接的太阳能板、蓄电池以及系统电源。

其中，太阳能板充电器给蓄电池充电，蓄电池输出电压经系统电源电压转换电路变成所需要的电源电压，供低噪放、功放等电路使用。

另外，在特殊实施例中，当只需要进行信号发送时，Zigbee变频无线传输设备10只需包括Zigbee芯片110、第一本地振荡器112第一混频器111、第一中频滤波器113、功率放大器114、LC匹配器115以及中频天线117即可，LC匹配器115直接连接中频天线117。

通过上述部件，可使Zigbee芯片110的信号实现中频传输，因此信号的传递距离变远，跨越障碍的能力变强。本申请仅保护上述结构，并不包含软件部分。

图2是本发明的水下监测系统的一优选实施例的结构示意图。在本实施例中，水下监测系统包括水质多功能探头311、Zigbee终端节点312、Zigbee路由器313、Zigbee协调器314、GPRS网关315、基站316、监测中心317以及数据中心319。在本实施例中，Zigbee终端节点312、Zigbee路由器313以及Zigbee协调器314中包括例如上一实施例所述的Zigbee变频无线传输设备10。

水质多功能探头311与Zigbee终端节点312连接，可通过电缆等进行连接。Zigbee终端节点312信号连接的与Zigbee路由器313信号连接，Zigbee路由器313与Zigbee协调器314信号连接。Zigbee协调器314与GPRS网关315通过基站316以GPRS网络连接，即GPRS网关315以及监测中心317之间通过基站316进行信号中转。其中，Zigbee终端节点312例如为上述实施例中的Zigbee变频无线传输设备10。

水质多功能探头311所获取的数据通过Zigbee终端节点312、Zigbee路由器313、Zigbee协调器314以及GPRS网关315后传输至监测中心317。其中，Zigbee终端节点312还可为上一实施例的特殊实施例所述的Zigbee变频无线传输设备10。数据中心319与监测中心317网络连接，用于获取监测中心317的数据并记录。

在本实施例中，数据中心319与监测中心317通过因特网318连接。

为了发挥Zigbee自组网的优秀特性，每一水质多功能探头311对应一个Zigbee终端节点312，每一Zigbee协调器314信号连接多个Zigbee路由器313，每一Zigbee路由器313信号连接多个Zigbee终端节点312。图2中仅为一实施例，并非限制各个部件的数量。

本发明在运用Zigbee自组网技术的基础上，引入了中频概念并实用，运用了中频信号空间传输绕射能力强，传输距离远的特点，将Zigbee信号转换成中频信号来传输，从根本上克服了Zigbee无线传输距离短、绕射能力差的缺点。具体实现步骤如下：发射端：将Zigbee芯片110发射端产生的2.4GHz信号跟运用了锁相环(PLL)技术的第一本地振荡器112输出的2GHz左右信号用第一混频器111进行变频，变频到中频信号315MHz。经过第一中频滤波器113滤掉变频过程中产生的镜频信号、半中频信号、谐波信号及可能带来的无用杂波信号。然后，再经过功率放大器114将中频信号放大到指定功率，经过LC匹配器115(或使用LC滤波器)来滤除杂波及匹配前后级。再经过射频开关116，使其导向发射端，经过中频天线117将中频信号发射到自由空间。接收端：通过中频天线117来接收自由空间无线传输进来的中频信号。射频开关116导向接收端，经过第二中频滤波器122来滤除中频天线117引进的无用杂波信号，再经过低噪声放大器121来降低接收端噪声系数(NF)，同时提供足够的增益来优化后级噪声，同时驱动后级器件正常运行，再与第二本地振荡器120通过第二混频器119进行变频，上变频到2.4GHz Zigbee信号。然后，再经过射频滤波器118滤掉变频过程中产生的镜频信号、半中频信号、谐波信号及可能带来的无用杂波信号，再将2.4GHz Zigbee信号输入给Zigbee芯片110进行运算和处理。

参阅图4，图4是Zigbee变频模块的频率变换图。

Zigbee芯片110的使用频率为F1＝2405MHz+5(k-11)MHz，共16个信道，k是11-26的取值；因要求输出中频为定频信号315MHz，所以本地振荡器也要随之改变，本地振荡器的输出频率为F2＝2090MHz+5(k-11)MHz，共16个信道，k是11-26的取值，具体输出频率视现场无线环境来调节。另外，同样的，在接收信号时，接收到的中频定频信号315MHz，然后，本地振荡器的输出频率为F3＝2090MHz+5(k-11)MHz，Zigbee芯片110接收到的信号频率为F4＝2405MHz+5(k-11)MHz。

本发明中，Zigbee信号频率变换和本地振荡器LO频率变换可通过表1来说明。

K	Zigbee频率(MHz)	LO频率(MHz)	IF频率(MHz)
				11	2405	2090	315
12	2410	2095	315
				13	2415	2100	315
14	2420	2105	315
				15	2425	2110	315
16	2430	2115	315
				17	2435	2120	315
18	2440	2125	315
				19	2445	2130	315
20	2450	2135	315
				21	2455	2140	315
22	2460	2145	315
				23	2465	2150	315
24	2470	2155	315
				25	2475	2160	315
26	2480	2165	315

表1

本地振荡器采用了锁相环(PLL)技术，锁相环是一种反馈控制电路，其特点是利用外部输入的参考晶振信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。锁相环，是由集成了R分频器、鉴相器、压控振荡器、N分频器和环路滤波器组成，参考晶振采取外置。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率反馈分频后和输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成U1电压信号输出，该信号经过低通滤波器后形成压控振荡器的控制电压U2，对振荡器输出信号的频率实施控制,最终的目的就是保证输出信号的稳定性，频率无偏差。参考晶振频率定义为REFin，鉴相频率定义为F_a，VCO输出频率定义为F_b。R分频器和N分频器，它们之间的关系是：

\frac{REFin}{R} = \frac{F_{b}}{N} = F_{a} .

外置晶振的选取，需从频率稳定度和相位噪声问题来考虑，温度补偿晶体振荡器(TCXO)的频率稳定度可以做到0.1ppm～5ppm，价格便宜；恒温控制晶体振荡器(OCXO)的频率稳定度可以做到0.0005ppm～0.01ppm，价格贵。可以根据需求选择不用型号。因相位噪声跟N分频器有关系，N值越大，相噪越差，所以为了保证本振相噪小，选取频率较高的晶振，我们这里选择10MHz。R分频器的取值选择跟本振相噪也有关系，式子中，Fa鉴相频率为环路滤波器(LPF)带宽的10倍到20倍，选择合适的LPF带宽最大程度的改善相位噪声，Fa取值也能相应确定，例如如果LPF取值50KHz，本振相噪很低，这时F_a可以取值1MHz，而REFin为10MHz，所以R分频器取值为10，VCO输出频率F_b输出为一个定值后，如为2090MHz，这时N分频器取值为2090；相噪最优情况下，式子中只有F_b和N改变，F_a、REFin、R取值是一定的。

Zigbee芯片110优选为TI公司的CC2530，它的硬件平台能完美支持ZigbeePro协议栈。CC2530的TX out最大为4.5dBm，经过TX混频器混频有-7.5dB的变频增益损耗，经过中频滤波器有-2dB的差损，经过增益放大管有22dB的增益放大，经过电阻π衰有-5dB的差损，经过功率放大管有19dB的增益放大，经过低通滤波器有-1dB的差损，最后发射端的输出功率为30dBm；接收端因CC2530的RX in接收灵敏度为-97dBm，我们设计的Zigbee变频无线传输设备接收灵敏度为-101.5dBm，具体实现为：中频天线接入最低-101.5dBm的中频信号，经过低噪声放大管有16dB的增益放大，经过射频滤波器有-2dB的差损，经过RX混频器混频有-7.5dB的变频增益损耗,经过中频滤波器有-2dB的差损，接入CC2530的RX in正好-97dBm。发射端，将CC2530最大发射功率由4.5dBm提高到30dBm；接收端，将CC2530的接收灵敏度有-97dBm提高为-101.5dBm。因接受灵敏度计算公式：S＝-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF。其中-174dBm是常数，是由10lgKT的来，K为波尔兹曼常数K＝1.38×10-23J/K；T为信源绝对温度T＝290K，BW为等效噪声带宽，Eb/N0为解调门限载噪比，NF为噪声系数。

参阅图3，Zigbee变频无线传输设备中接收端链路总噪声系数

NF = {NF}_{1} + \frac{{NF}_{2} - 1}{G_{1}} + \frac{{NF}_{3} - 1}{G_{1} G_{2}} + \frac{{NF}_{4} - 1}{G_{1} G_{2} G_{3}} + . . . + \frac{{NF}_{n} - 1}{G_{1} G_{2} G_{3} . . . G_{n - 1}}

从上式可以看出，当链路的额定增益远大于1时，系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数，越是后面的网络，对噪声系数的影响越小，这是因为越到后级信号的功率越大，后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。因此，对第一级来说，不但希望噪声系数小，也希望增益大，以便减小后级噪声的影响。所以在接收端链路的前级引入低噪声放大器，低噪声放大器本身噪声系数NF₁一定，同时也有16dB的增益G₁，即便在低噪声放大器后级带来了一定的噪声，也能保证整个接收链路的噪声系数小。

在等效噪声带宽和解调门限载噪比都一定的情况下，决定接收灵敏度的就是噪声系数，所以如何选取低噪声放大器至关重要。在无线通信行业，外界的白噪声是-121dBm，是一种理想化噪声，而现实环境中，因为存在模块内部的热噪声，晶体管在工作时产生的散粒噪声，模块内部信号与噪声产生的互调产物，外接干扰信号混入有用信号产生的互调产物等噪声，模块接收灵敏度会受到影响，Zigbee变频无线传输设备接收灵敏度可以做到-101.5dBm。

参阅图5，本发明的Zigbee变频无线传输设备中无线通信信号在自由空间中传输损耗说明了在发送端发射功率和接收端接收灵敏度一定的情况下，可以计算出中频信号在空间的传输距离。因为自由空间传输损耗LS＝发射功率P+丨接收灵敏度S丨(接收灵敏度S的绝对值)，而自由空间传输损耗计算公式为LS＝32.45+20LogF(MHz)+20LogD(Km)，在LS和F都确定情况下，计算D约为285公里。当然，这是理想情况下测试出来的，实际环境中无线信号会受到天气变化的响空中介质的吸收和衰减、发射接收天线的性能以及空间其他无线信号的干扰，实际传输距离会损耗巨大，不过仍可达到15公里到20公里的实际传输距离。

通过上述方式，本发明的Zigbee变频无线传输设备中将Zigbee芯片的高频传输模式改成了中频传输，因此信号的传递距离变远，跨越障碍的能力变强，又保存了Zigbee自组网的优点，是一种中短途信号传输效果优秀的设备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线传输设备包括第一本地振荡器以及依次连接的Zigbee芯片、第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、LC匹配器以及中频天线，所述第一本地振荡器连接所述第一混频器。

2.如权利要求1所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线传输设备进一步包括射频开关，所述射频开关设置于所述LC匹配器以及所述中频天线之间，所述射频开关一端连接所述中频天线，另一端选择性连接所述LC匹配器。

3.如权利要求2所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线传输设备进一步包括第二本地振荡器、连接所述Zigbee芯片的射频滤波器、连接所述射频滤波器的第二混频器、连接所述第二混频器的低噪声放大器、连接所述低噪声放大器的第二中频滤波器，所述射频开关的另一端进一步在所述LC匹配器与所述第二中频滤波器中选择性连接，所述第二本地振荡器连接所述第二混频器，所述第一混频器、所述第一中频滤波器、所述功率放大器、所述LC匹配器、所述射频滤波器、所述第二混频器、所述第二本地振荡器、所述低噪声放大器、所述第二中频滤波器、所述射频开关以及所述中频天线组成变频模块。

4.如权利要求3所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线传输设备进一步包括连接上述各部件的电源系统。

5.如权利要求4所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述电源系统包括依次连接的太阳能板、蓄电池以及系统电源。

6.一种水下监测系统，其特征在于，所述水下监测系统包括水质多功能探头、与所述水质多功能探头连接的Zigbee终端节点、与所述的Zigbee终端节点信号连接的Zigbee路由器、与所述Zigbee路由器信号连接的Zigbee协调器、与所述Zigbee协调器连接的GPRS网关以及与所述GPRS网关通过GPRS网络连接的监测中心，所述水质多功能探头所获取的数据通过所述Zigbee终端节点、所述Zigbee路由器、所述Zigbee协调器以及所述GPRS网关后传输至监测中心，其中，所述Zigbee终端节点中包括权利要求1-5中任意一项所述的Zigbee变频无线传输设备，所述Zigbee路由器以及所述Zigbee协调器中包括权利要求3-5中任意一项所述的Zigbee变频无线传输设备。

7.如权利要求6所述的水下监测系统，其特征在于，所述GPRS网关以及所述监测中心之间通过基站进行信号中转。

8.如权利要求7所述的水下监测系统，其特征在于，所述水下监测系统进一步包括数据中心，与所述监测中心网络连接，用于获取监测中心的数据并记录。

9.如权利要求8所述的水下监测系统，其特征在于，所述数据中心与所述监测中心通过因特网连接。

10.如权利要求6所述的水下监测系统，其特征在于，每一所述水质多功能探头对应一个所述Zigbee终端节点，每一所述Zigbee协调器信号连接多个所述Zigbee路由器，每一所述Zigbee路由器信号连接多个所述Zigbee终端节点。