一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點的製作方法
2023-06-19 13:29:31 1
專利名稱：一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及無導線電氣線路表徵的信號傳送裝置，尤其是涉及一種基 於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點。
技術背景隨著半導體、計算機、通訊等信息技術的飛速發展，我們己經由PC時代和 網絡時代，進入後PC時代，在這樣的一個時代背景下，無線傳感器網絡作為信 息技術研究的一個重要方向，逐漸成為計算機科學研究中最具活力的領域，具 有廣闊的應用前景。它綜合了傳感器、微機電系統(MEMS)、無線通信和分布 式信息處理等四大技術，使網絡虛擬世界和物理世界實現了信息流的交互。可 以預見，在不久的將來，無線傳感網絡將改變人與自然界的交互方式，給我們 的生活方式帶來革命性的變化。因此，無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要 的技術之一。2003年2月份的美國《技術評論》雜誌(《Technology Review》)) 評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，傳感器網絡被列為第一。 簡單的說，無線傳感器網絡是由大量的具有無線通信與計算能力的微小傳感器 節點構成的自組織分布式網絡系統，目的是實時監測、感知和採集網絡分布區 域內的各種監測對象的信息，並對這些信息進行處理，然後傳送給需要這些信 息的用戶。傳感器網絡分布式處理的特點帶來的監測高精度、高容錯性、大覆 蓋區域、可遠程監控、可快速構建、部署方便等眾多優點，不易受到目標環境 的限制，特別適合布置在電源供給困難的區域或人員不易到達(環境惡劣地區、 敵軍陣地等)的區域，這些優點使其能廣泛用於軍事、環境、醫療保健、空間探 索及各種商業應用。無線傳感器網絡是一種特殊的Ad-hoc網絡，其節點既是信 息包的發起者，也是信息包的轉發者。節點以Ad-hoc方式將數據向網關發送， 再與外部網絡通信，如Iiitemet、衛星或移動通信網絡等等。無線傳感器網絡中 沒有嚴格的控制中心，所有節點地位平等，是一個對等式網絡。用節點中的傳 感器測量所處外部環境的各種信號，從而探測出眾多物質現象，實現對所處環 境的監測。目前，無線傳感器網絡還存在諸多需要解決的問題節點的工作時 間有限，導致整個網絡的壽命較短；數據傳輸的安全性得不到保證；節點的數 據處理能力不強，數據包傳輸時丟失率較高等等。而且目前的無線傳感器網絡 節點的可擴展性和兼容性不強，其相應的配件價格較貴，導致其應用範圍有限。發明內容針對現有技術的不足，本實用新型的目的在於提供一種基於ZigBee的模塊 化無線傳感器網絡節點。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點，包括射頻板和主板，射頻 板包括CC2420無線通信晶片和天線，CC2420無線通信晶片通過阻抗匹配電路 和天線相連接；主板包括Atmegal28L微處理器晶片，外部flash存儲器、電源 和LED燈、接插件、電平轉換晶片，Atmegal28L微處理器晶片分別與外部flash 存儲器、LED燈、51腳1/0接插件、JTAG接口和經電平轉換晶片與串口連接， 射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。所述的微處理器Atmegal28L的外圍電路，其10 13腳為SPI 口和CC2420 無線通信模塊進行數據傳輸，每個SPI接口都連接一個電阻，第8， 17， 29， 31 腳也和CC2420無線通訊模塊相連接，23和24腳接主時鐘晶振7.3728MHZ， 18和19腳接32KHZ的輔時鐘晶振，49， 50， 51三個腳接LED燈，54 61腳 是8通道的ADC， 28， 29， 48三個腳和flash存儲器連接，2， 3兩腳和電平轉 換晶片連接。所述的無線射頻晶片CC2420的6， 7, 8腳通過阻抗匹配電路和天線相連接， 5腳和9腳和地相連接，27 34腳都是和微處理器相連接，37， 38腳接16M 的晶振，41， 42， 43是晶片內部的電壓調整器。本實用新型具有的有益效果是1. 無線通信模塊採用全球首款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發 晶片CC2420，節點間的數據通信採用ZigBee協議。(1) 節點工作時，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上，採用ZigBee技術後， 將大大降低能量消耗，提高節點和網絡的壽命。(2) ZigBee提供了數據完整性檢查和鑑權功能，保證節點間傳輸的數據不被 竊聽。(3) ZigBee採用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專 用時隙，避免了發送數據時的競爭和衝突；節點模塊之間具有自動動態組網的功 能，信息在整個ZigBee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息 傳輸的可靠性。2. 節點採用模塊化設計，將射頻板和主板分離開，通過標準接口自由組合， 進行數據傳輸。因為在不同的應用場合對節點的能耗、採樣率、響應時間和數據處理能力都有不同要求，節點應可以按照功能拆分成多個組件，組件之間可 以通過標準接口自由組合。這樣，在不同的應用場合下，選擇不同的組件自由 配置系統就可以滿足要求，不必為每個應用都開發一套新的硬體系統，這也有 助於控制成本。同時，模塊化設計也有效的減小了節點的體積。3.多種數據傳輸通道的設計，給了用戶多種程序下載和數據上傳的選擇。可 以通過JTAG下載程序，通過三腳的串口和上位機傳輸數據，也可以通過51腳 1/0接插件下載程序和傳輸數據。節點和市場主流的傳感器板和編程板兼容。而 且和無線傳感器專用作業系統Tinyos兼容。
圖1是本實用新型的整體結構框圖。圖2是本實用新型的微處理器Atmegal28L外圍電路原理圖。 圖3是本實用新型的無線射頻晶片CC2420外圍電路原理圖。 圖4是本實用新型的51腳連接器的原理圖。 圖5是本實用新型的電平轉換和串口的電路原理圖。 圖6是本實用新型的其它部件。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1所示，描述了節點的整體的結構組成。從物理結構上，分為主板和 射頻板。主板主要是數據的處理以及和上位機、傳感器板的數據傳輸。射頻板 用來無線發送和接收數據，和網絡中其它節點進行通信，組成網絡。如圖2所示，是微處理器Atmegal28L外圍電路連接。其中10 13腳為SPI 口，通過這個SPI 口和無線通信模塊進行數據傳輸。每個SPI接口都連接一個電 阻，這個有消除幹擾的作用。第8， 17， 29， 31腳也和無線通訊模塊相連接， 控制其數據傳輸和工作狀態。23和24腳接主時鐘晶振7.3728MHZ。 C35和C36 兩個電容用來配合晶振的工作。18和19腳接32KHZ的輔時鐘晶振。在正常工 作狀態下，採用主晶振的時鐘，當ATmegal28L進入休眠狀態時，採用低的時 鍾晶振，從而降低能耗。49， 50， 51三個腳接LED燈。這三個指示燈可以指示 節點的工作情況，也可以用來觀測程序在節點上的運行。54 61腳是8通道的 ADC,接受傳感器板發送過來的數據。28， 29， 48這三個腳和flash連接，用來 控制flash存儲器以及和存儲器之間的數據傳輸。如圖3所示，，無線射頻採用全球首款符合ZigBee技術的高集成度工業用 射頻收發晶片CC2420。 CC2420的6， 7， 8腳通過阻抗匹配電路和天線相連接。5腳、9腳和地相連接，起隔離的作用，用來保護射頻。27 34這些腳 都是和微處理器相連接，進行數據交換和接受控制。37、 38腳接一個16M的晶 振，提供工作頻率。41， 42， 43是晶片內部的一個電壓調整器。輸入3V電壓， 輸出1.8V電壓。41腳是調整器的使能，由Atmegal28L控制，給高電平後，調 整器開始工作。43腳是3V電壓的輸入，42腳是1.8V電壓的輸出。晶片很多管 腳的工作電壓是1.8V，需將這些管腳與42腳連接起來。如圖4所示，描述了 51腳連接器的連接情況，51腳的連接器用來和傳感器 板和編程板連接，使節點和市場主流的傳感器板兼容。通過這個連接器，微處 理器可以和傳感器板進行數據交換，並控制傳感器板的工作。如圖5所示，U4的11， 12腳和微處理器的2， 3腳相連接。微處理器提供 的是TTL電平的串口接口，通過U4的電平轉換後，就可以和PC機的RS232 連接。方便了節點和PC機的數據傳輸。如圖6所示，描述了節點其餘的部件。D1 D4是LED指示燈。D2 D4如前 所述，是工作指示燈，Dl是電源指示燈。U3是flash存儲器，採用AT45DB041. 其中l， 2， 4， 8腳和Atmegal281L連接，1腳和8腳是數據的傳輸。2腳是輸 入的時鐘信號，4腳是片選。Jl是電源，Sl是一個三角的電源開關。考慮到成 本，這裡從簡設計。3V電源和1.8V電源都通過一系列的的並聯電容接地。這 些大小不等的電容用來消除各種頻率的幹擾。J6是12 口的標準接口，微處理器 就是通過這個接口和無線通信模塊連接的。除了前面所述的8個管腳，1腳接電 源，2腳接地。3腳是接CC2420的復位腳，4腳接CC2420晶片的電壓調整使 能接口41。這兩個腳都由微處理器控制。上述實施例用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在 本實用新型的精神和權利要求的保護範圍內，對本實用新型作出的任何修改和 改變，都落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1. 一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點，其特徵在於包括射頻板和主板，射頻板包括CC2420無線通信晶片和天線，CC2420無線通信晶片通過阻抗匹配電路和天線相連接；主板包括Atmega128L微處理器晶片，外部flash存儲器、電源和LED燈、接插件、電平轉換晶片，Atmega128L微處理器晶片分別與外部flash存儲器、LED燈、51腳I/O接插件、JTAG接口和經電平轉換晶片與串口連接，射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。
2、 根據權利要求1所述的一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點， 其特徵在於所述的微處理器Atmegal28L的外圍電路，其10 13腳為SPI 口 和CC2420無線通信模塊進行數據傳輸，每個SPI接口都連接一個電阻，第8, 17， 29， 31腳也和CC2420無線通訊模塊相連接，23和24腳接主時鐘晶振 7.3728MHZ， 18和19腳接32KHZ的輔時鐘晶振，49， 50， 51三個腳接LED 燈，54 61腳是8通道的ADC， 28， 29， 48三個腳和flash存儲器連接，2， 3 兩腳和電平轉換晶片連接。
3、 根據權利要求1所述的一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點， 其特徵在於所述的無線射頻晶片CC2420的6， 7， 8腳通過阻抗匹配電路和天 線相連接，5腳和9腳和地相連接，27 34腳都是和微處理器相連接，37， 38腳接16M的晶振，41， 42， 43是晶片內部的電壓調整器。
專利摘要本實用新型涉及一種基於ZigBee的模塊化無線傳感器網絡節點。包括射頻板和主板，射頻板包括CC2420無線通信晶片和天線，CC2420無線通信晶片通過阻抗匹配電路和天線相連接；主板包括Atmega128L微處理器晶片，外部flash存儲器、電源和LED燈、接插件、電平轉換晶片，Atmega128L微處理器晶片分別與外部flash存儲器、LED燈、51腳I/O接插件、JTAG接口和經電平轉換晶片與串口連接，射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。主板進行數據處理以及和上位機、傳感器板的數據傳輸。射頻板是無線收發數據。兩板通過接插件連接，電源模塊為兩板提供能量。本實用新型的無線數據傳輸採用ZigBee協議。還設計了多種通道，供節點和上位機之間進行數據傳輸。
文檔編號H04L12/28GK201114137SQ20072011236
公開日2008年9月10日 申請日期2007年7月27日 優先權日2007年7月27日
發明者孫優賢, 曹向輝, 迪 繆, 陳積明 申請人:浙江大學