摘  要： 通过设计功率放大电路提高发射功率，选用较大增益和灵敏度的天线等方法提高通讯距离，并应用于多传感器信号采集系统，实现了1.2km范围内的ZigBee网络构建、测控和文件传输等功能。 

    关键词： ZigBee协议; 无线通讯; 高功率

    ZigBee技术是一种低功耗、近距离、低速率的无线双向网络通讯技术。其物理层、MAC层和链路层采用了IEEE 802.15.4（无线个人区域网）协议标准^[1]，并在此基础上由ZigBee联盟制定网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)。 

    但ZigBee协议的低功耗和高频率限制了RF器件收发的覆盖范围，如果要在较大范围内组建一个ZigBee网络，通常有两种方法：增加网络节点，通过网络路由层传递；增大发射功率，扩大覆盖半径。前者成本过高且对网络的路由算法有较高的要求，给开发增加了一定的难度;后者成本相对低廉，比较容易实现。 

    本文利用ZigBee无线组网技术来构建通讯网络，并通过高功率电路的设计，有效地实现大范围的测控系统，开发了一套实用的现场监控系统。 

    ZigBee软件架构由物理/链路层、ZigBee协议层和应用层三部分组成，如图1所示。ZigBee工作在2.4GHz的ISM免费频段，其PHY层采用直接序列扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum)。ZigBee协议栈的核心部分是网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构^[2]。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者（Coordinator）负责网络的建立与管理和最多可达65 535个从属设备。 

1 ZigBee高功率电路设计  

    RF收发器选用英国 Jennic公司的JN5121 Soc芯片。该芯片集成了32位RISC处理器和RF组件，可以通过RS232接口与PC机相连。芯片内有128位AES安全协处理器、96KB RAM静态存储器、64KB ROM程序存储器。在设计电路时，考虑到平衡匹配，在RF收发端加入平衡转换电路，同时考虑到时分双工TDD原理，还需要加入双向收发切换开关，开关信号由收发控制位来控制^[3]。高功率电路总体框架如图2所示。 

1.1 平衡转换电路 

    本设计使用的是半波偶极天线，两个馈电点的信号电压（或电流）的相位是互为反相的。主馈电缆使用同轴电缆，同轴电缆属于不平衡（不对称）馈线，其内导体是馈电点，而外导体是地线点，不参与馈电，影响天线的对称性。因此，不仅要考虑阻抗匹配，还需要在天线和同轴电缆之间进行平衡转换。转换器芯片选用HHM1521不平衡-平衡转换器，其插入损耗只有1.0dB，其电路如图3所示。 

1.2 功率放大电路 

    发射功率放大电路的作用是通过功率放大器使无线发射功率放大到所期望的值。收发切换元件选用AS179-92 SPDT开关芯片，它的插入损耗为0.4dB，上升下降时间为10ms。选用PA2423L作为功率放大器，它以高效率的硅锗结构为基础，保证了芯片的高性能和稳定性，可实现+22.5dBm 的输出功率和45%的附加功率效率，克服了天线和滤波器的损耗，保证了在指定传输范围内高度的信号完整性。高频低噪声放大电路是通过放大器对接收到的信号进行增强。在接收端选用BFP405高频三极管，可提供22dB的信号增益和1.15dB的低噪声系数，同时在接收输入端加一级带通滤波器，其主要电路如图4所示。 

2 ZigBee具体应用研究 

2.1 系统设计 

    本设计是为了开发一套通用的现场无线传感器采集系统，利用各种不同的传感器获得所需的参数并通过无线方式传送给计算机监控管理系统。整个系统是基于星型网络构建的，远程无线监控单元的协调器负责建立网络和接收数据，并通过串口传送到远程管理计算机，最多可同时允许254个终端节点加入网络。每个终端可接收脉冲信号、电流信号和电压信号，经过调理电路后与嵌入式系统相连，并将采集的数据通过路由节点发送给协调器。系统的设计框图如图5所示。 

2.2 网络重建 

    在ZigBee协议中，协调器作为网络的中心，担负着建立网络和路由控制等功能，与网络建立后加入的路由节点使用同一个网络标识（PAN ID）。因此要求协调器必须保持工作状态，才能保证网络的稳定^[4]。如果协调器中途断电或者关闭，路由节点不能自动识别并脱离网络而继续占用网络标识，造成协调器重新上电后，无法使用设定好的网络标识建立网络。为了与实际工况相适应，要求终端节点可以长时间工作，并保存数据，而监控单元则可以随时关机。为了保障网络的稳定和系统的实用性，在路由节点增加了判断功能，当协调器关机后，路由节点自动退出网络进入休眠，经过给定的时间后重新等待加入网络。 

    在侦听的选择上主要有两种方式：(1)协调器应答方式。路由器发送查询信号，协调器收到之后回复当前的网络状态;(2)路由器侦听方式。协调器发送网络状态，路由器通过侦听获得网络状态。通过实际比较，路由器侦听方式在多节点大量数据传输过程中，不能很好地定时发送网络状态。因此本设计最终选用协调器应答方式，其侦听流程如图6所示。 

    协调器接收到查询信号后，采用广播方式应答，网络中所有的下位机接收到应答信号或者网络信号后将N置为5。对于网络中不同的下位机，分别将其等待时间设定为间隔50ms的差值序列，其最小值为Tmin。在协调器正常工作时，网络每间隔Tmin才有一个应答信号，保证了网络的带宽。 

2.3 文件传输 

    ZigBee协议栈提供了关于数据完整性的检查机制，若终端设备想要发送数据帧时，只需等待信道变为空闲，在检测接收方信道为空闲时，即发送数据帧。当发送数据后侦听接收方的响应，如果响应超时则重复发送该数据。同时为了保障传送测试数据的实时性，对重复次数进行了一定的限制,这在很大程度上保障了数据的完整性和传感网络的实时性。但是由于无线方式受外界影响较大，在环境条件恶劣的地方会产生一定的丢包率。 

    测控系统要求提供实时监控数据和文件数据。传输的文件数据量大、发送时间较长，在传输过程中，多节点（1～254）同时发送信息可能造成通讯堵塞，此外也可能造成一定的丢包和误码。为了保证传输文件的完整性，要对接收的文件数据进行校验。因此需要统一文件数据保存格式，通过逐条校验数据序列号的方式确保文件完整性。当传送文件完成后，监控管理计算机提取接收到的文件数据后逐条校验，将出错的数据序列号逐条发送到下位机,请求下位机重新传输。发送文件数据时，ZigBee数据帧结构如表1所示。 

2.4 天线的选取 

    天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。合理慎重地选用天线，可以实现较远的通讯距离和良好的通讯效果。利用设计的高功率电路和Jennic提供的低功率模块分别对多组天线进行野外实际综合测试，最终选取适合本设计通讯距离要求的天线组合。其中网络建立距离为网络可以快速建立的最大距离， 测试传输距离为选取通讯质量良好的实际距离。以下是对1万组数据进行10次传输所得的试验结果，其中数据长度为120B，发送间隔为5ms，将10次传输总的丢包数除以发送总包数得到的平均丢包率如表2所示。 

    通过试验验证了高功率电路设计的有效性，同时确定在协调器上选用增益为7dBi的TQC-2400A车台天线，在节点上选用3dBi的鞭状天线。 

    本设计对于距离要求更高的场合，还可以通过选用更高增益的天线实现几公里内的无线传输。 

参考文献 

[1] CALLWAY E, GORDAY P, HESTER L, et al. Home networking with IEEE802.15.4: a developments for lowrate wireless persenal area networks[J]. IEEE Communication Magazine, 2002,40(8):70-77. 

[2] NEELAKANTA, PERAMBUR S, HARDSHAD D. Robust factory wireless communications: a performance appraisal of the bluetooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society, 2003(3):2381-2386. 

[3] 周怡,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):5-9. 

[4] 方舒,张辉全.2.4G射频双向功放的设计与实现[J]. 世界电子元器件, 2007,5(13)：46-49.