CN105511345A - 一种Zigbee物联网模块及其低功耗控制方法 - Google Patents

一种Zigbee物联网模块及其低功耗控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Zigbee物联网模块及其低功耗控制方法，所述物联网模块包括主芯片，天线、匹配网络、巴伦平衡电路、接收端口及发射端口；其中，巴伦平衡电路连接接收端口及发射端口；天线、匹配网络、巴伦平衡电路顺序串联连接；接收数据通过天线、匹配网络、巴伦平衡电路，连接到接收端口；发射数据通过发射端口、巴伦平衡电路、匹配网络，馈送到天线进行发射。本发明还公开了一种Zigbee物联网模块的低功耗控制方法。本发明可应用于单火线供电、电池供电的无线物联网主控模块的设计，并满足了其超低功耗的要求。

Description

一种Zigbee物联网模块及其低功耗控制方法
技术领域
本发明涉及一种可应用于单火线供电、电池供电等超低功耗的无线物联网设备及其低功耗控制方法，尤其涉及一种Zigbee物联网模块及其低功耗控制方法。
背景技术
无线网络具有免连接线、安装位置不受空间限制等优点，但无线网络的可靠性依赖于供电方式、抗干扰能力等因素，特别是野外无线传感网络、电池供电的近场无线系统、智能家居中采用单火线取电技术作为电子系统供电方式的设备等，如单火线开关、智能家居中采用电池供电的门磁、门铃、RF遥控器、RFID卡、无线智能系统的主控模块等。系统功耗大其电池续航能力差导致无线网络寿命缩短；在单火线工作的电子系统中，由于电子系统和负载串联，功耗大则流经负载的电流大，容易引起负载的误动作，如单火线开关中功耗大引起负载LED灯的爆闪、荧光灯微亮等现象。因此大多数物联网系统必须采用超低功耗设计。作为无线物联网的核心模块，其超低功耗电路和控制软件的设计是整个系统的关键技术。
发明内容
现有Zigbee模块普遍采用Zigbee通用协议栈进行无线组网和网络通信，工作和待机时均存在功耗过大，导致无线网络寿命短、控制误动作增加、单火线开关控制的LED灯出现爆闪、荧光灯微亮等现象。因此，物联网主控模块必须在硬件和组网以及通信协议的软件设计上进行超低功耗设计，才能满足上述应用场景主控模块的需求。
针对现有Zigbee模块设计中存在功耗过大的软硬件问题，本发明提出一种低功耗Zigbee物联网模块，包括主芯片，天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)；其中，巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)连接接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)；天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)顺序串联连接；接收数据通过天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)，连接到接收端口(RF_P)；发射数据通过发射端口(RF_N)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、匹配网络(L1、C12、C13)，馈送到天线进行发射。
其中，接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)耦合至主芯片的输入输出引脚。
其中，所述模块的工作频段为2394MHz-2507MHz，接收灵敏度为-97dbm，使用速率为250kbps，工作温度为-20℃～+85℃，电源电压为DC+2.0V～+3.6V，瞬间最大发射工作电流为30mA，瞬间最大接收工作电流为24mA；所述模块的输出功率可调；所述模块使用的空旷最大距离为200m。
其中，所述模块的待机电流为：若使用于单火线开关类产品，接收端待机电流<1mA；若使用于遥控器，门磁、RFID卡，接收端待机电流<2μA。
其中，所述模块采用低功耗的控制方式：提高通信速率以缩短通信时间，每帧使用时间不到5mS；主芯片设置为睡眠模式，并设置为RF模块触发唤醒的工作方式；设置RF模块按一定比例执行休眠与工作，即RF模块用不到10％的时间用于扫描RF模块是否接收到数据，如果没有接收到有效数据则RF进入休眠模式，减少工作电流；当收到有效数据时，自动唤醒主芯片处理，待处理完后主芯片自动进入睡眠模式。
本发明还提出一种Zigbee物联网模块的低功耗控制方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化物联网模块中的单片机的时钟系统，将主芯片的IO引脚设置为高阻态；
步骤2：设置主芯片的RF参数，设置主芯片的Zigbee协议栈参数，设置主芯片的低功耗休眠定时器；
步骤3：启动Zigbee协议栈；
步骤4：根据物联网模块系统当前需求重新设定休眠定时器定时时间，休眠定时器开始工作；
步骤5：物联网模块的单片机进行低功耗休眠并等待休眠周期时间到达；
步骤6：当休眠时间到时，休眠定时器中断服务程序，唤醒物联网模块的单片机；
步骤7：物联网模块向父节点查询是否有发送给自己的数据；如果有发送给自己的数据，则进入步骤8；如果没有发送给自己的数据，则返回步骤4；
步骤8：物联网模块等待父节点把数据发送给自己；
步骤9：物联网模块接收并处理数据，然后返回步骤4；
其中，Zigbee物联网模块的主芯片设置为睡眠状态，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；设置RF前端按一定比例方式执行休眠与工作，即RF用不到10％的时间用于扫描RF是否接收到数据；如果没有接收到有效数据则RF前端进入休眠模式，减少工作电流；当收到有效数据时，自动唤醒主芯片处理，待处理完后主芯片自动进入睡眠模式。
其中，物联网模块提高通信速率以缩短通信时间，每帧使用时间不到5mS。
其中，当所述物联网模块仅使用单向工作时，则进入深度睡眠。
本发明提出的Zigbee物联网模块，在待机和工作电流上明显小于目前Zigbee模块，可满足单火线开关、智能家居中采用电池供电的门磁、门铃、RF遥控器、RFID卡等无线智能系统的主控模块的应用要求，可应用于单火线供电、电池供电的无线物联网场景，满足其超低功耗的要求。
附图说明
图1为本发明Zigbee物联网模块的引脚图；
图2为本发明Zigbee物联网模块RF前端的外围电路图；
图3为本发明Zigbee物联网模块的低功耗控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示为本发明Zigbee物联网模块的引脚设计图。本发明的Zigbee物联网模块采用CC2530芯片作为ZigbeeCPU主芯片进行电路设计。
如图2所示为Zigbee物联网模块射频RF前端的外围电路图，包括天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)；接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)分别耦合至主芯片的输入和输出引脚。本实施例中，天线可以采用2.4GHzPCB(印刷电路板，PrintedCircuitBoard)天线，主芯片可以采用CC2530芯片。
巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)连接接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)；
天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)顺序串联连接；
接收数据通过天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)，连接到接收端口(RF_P)；
发射数据通过发射端口(RF_N)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、匹配网络，馈送到天线进行发射。
该Zigbee物联网模块的工作参数为：
频段：2394MHz-2507MHz
输出功率：+4.0dbm(可调)
接收灵敏度：-97dbm(250k速率)
使用速率：250kbps
空旷距离：>200m
工作温度：-20℃～+85℃
电源电压：DC+2.0V～+3.6V(典型值+3.3V)
待机电流：A：接收端<1mA(若使用于开关类产品)
B：深度睡眠<2μA(若使用于遥控器，门磁、RFID卡等)
瞬间最大工作电流：30mA(发射)；
24mA(接收)。
如图3所示为本发明Zigbee物联网模块的低功耗控制流程图。
步骤1：初始化物联网模块主芯片内部的单片机时钟系统，将主芯片的IO引脚设置为高阻态；
步骤2：设置主芯片的RF参数，设置主芯片的Zigbee协议栈参数，设置主芯片的低功耗休眠定时器；
步骤3：启动主芯片的Zigbee协议栈；
步骤4：根据物联网模块系统当前需求重新设定休眠定时器定时时间，休眠定时器开始工作；
步骤5：物联网模块的单片机进入低功耗的休眠状态并等待休眠周期时间到达；
步骤6：当休眠时间到时，休眠定时器中断服务程序唤醒物联网模块的单片机；
步骤7：物联网模块向父节点查询是否有发送给自己的数据；如果有发送给自己的数据，则进入步骤8；如果没有发送给自己的数据，则返回步骤4；
步骤8：物联网模块等待父节点把数据发送给自己；
步骤9：物联网模块接收并处理数据，然后返回步骤4；
在本实施例中的物联网模块为图1及图2所述的物联网模块；优选地，所述主芯片为ZigbeeCPU主芯片，且采用CC2530芯片作为ZigbeeCPU主芯片。
在本实施例中，Zigbee网络是自组网，包括协调器、路由器和终端节点；其中协调器和路由器可做父节点。物联网模块在通信网络中存在上级节点，即父节点，最顶端节点是协调器。
射频RF前端按一定比例(如10:1方式，若功耗大，可适当提高通信速率，同时把比例扩大，如扩大到15:1)方式执行休眠与工作，即RF前端用10％的时间用于扫描RF前端是否接收到数据，如果没有接收到有效数据则进入休眠方式，从而减少工作电流；当RF前端收到有效数据时，自动唤醒主芯片处理，待处理完后自动进入睡眠模式，以减少主芯片损耗；当物联网模块仅使用单向工作时，如模块用于单向接收或单向发射，则进入深度睡眠，期间耗电量<2μA。
该低功耗控制的方法可以采用计算机软件的方式进行实施，还可以采用其他的硬件、DSP、处理器等方式来实现。
虽然通过实施例描述了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (9)

1.一种低功耗Zigbee物联网模块，其特征在于：所述物联网模块包括主芯片，天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)；
其中，巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)连接接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)；
天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)顺序串联连接；
接收数据通过天线、匹配网络(L1、C12、C13)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)，连接到接收端口(RF_P)；
发射数据通过发射端口(RF_N)、巴伦平衡电路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、匹配网络(L1、C12、C13)，馈送到天线进行发射。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，接收端口(RF_P)及发射端口(RF_N)耦合至主芯片的输入输出引脚。
3.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块的工作频段为2394MHz-2507MHz，接收灵敏度为-97dbm，使用速率为250kbps，工作温度为-20℃～+85℃，电源电压为DC+2.0V～+3.6V，瞬间最大发射工作电流为30mA，瞬间最大接收工作电流为24mA；所述模块的输出功率可调；所述模块使用的空旷最大距离为200m。
4.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块的待机电流为：若使用于单火线开关类产品，接收端待机电流<1mA；若使用于遥控器，门磁、RFID卡，接收端待机电流<2μA。
5.根据权利要求1-4之一所述的模块，其中，所述模块采用低功耗的控制方式：提高通信速率以缩短通信时间，每帧使用时间不到5mS；主芯片设置为睡眠模式，并设置为RF模块触发唤醒的工作方式；设置RF模块按一定比例执行休眠与工作，即RF模块用不到10％的时间用于扫描RF模块是否接收到数据，如果没有接收到有效数据则RF进入休眠模式，减少工作电流；当收到有效数据时，自动唤醒主芯片处理，待处理完后主芯片自动进入睡眠模式。
6.一种Zigbee物联网模块的低功耗控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：初始化物联网模块中的单片机的时钟系统，将主芯片的IO引脚设置为高阻态；
步骤2：设置主芯片的RF参数，设置主芯片的Zigbee协议栈参数，设置主芯片的低功耗休眠定时器；
步骤3：启动Zigbee协议栈；
步骤4：根据物联网模块系统当前需求重新设定休眠定时器定时时间，休眠定时器开始工作；
步骤5：物联网模块的单片机进行低功耗休眠并等待休眠周期时间到达；
步骤6：当休眠时间到时，休眠定时器中断服务程序，唤醒物联网模块的单片机；
步骤7：物联网模块向父节点查询是否有发送给自己的数据；如果有发送给自己的数据，则进入步骤8；如果没有发送给自己的数据，则返回步骤4；
步骤8：物联网模块等待父节点把数据发送给自己；
步骤9：物联网模块接收并处理数据，然后返回步骤4。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，Zigbee物联网模块的主芯片设置为睡眠状态，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；设置RF前端按一定比例方式执行休眠与工作，即RF用不到10％的时间用于扫描RF是否接收到数据；如果没有接收到有效数据则RF前端进入休眠模式，减少工作电流；当收到有效数据时，自动唤醒主芯片处理，待处理完后主芯片自动进入睡眠模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，优选的，物联网模块提高通信速率以缩短通信时间，每帧使用时间不到5mS。
9.根据权利要求7或8所述的方法，当所述物联网模块仅使用单向工作时，则进入深度睡眠。
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