ZigBee技術(shù)在輸油管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
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● 支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層的通信規(guī)范。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/157010.htm
根據(jù)以上特點(diǎn)，并經(jīng)過分析比較，我們最終選用了CC2420這款性能卓越的射頻芯片。CC2420是Chipcon公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率最大250kb/s，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，最低功耗不到1μA，體積小，外形尺寸只有7mm×7mm。
CC2420應(yīng)用電路如圖3所示，主要包括電源去耦電路、晶振電路和天線匹配電路。由于RF芯片對電源的噪聲非常敏感，恰當(dāng)有效的電源去耦電路能很好的抑制噪聲，提高可靠性，因而靠近VDD和1.8V電源引腳配置了去耦電容C27～C37。晶振電路給內(nèi)部操作提供必要的時(shí)序，本設(shè)計(jì)配置了16MHz晶振，匹配電容C41和C42的值均為27pF。對于射頻電路，天線的性能直接決定了能否正常進(jìn)行無線通信，根據(jù)CC2420天線選擇指南，綜合考慮成本、性能和適用環(huán)境，本設(shè)計(jì)選用的是2.4GHz差分天線。這種天線直接做在PCB板上，適用于低功耗設(shè)計(jì)，成本低，占空間小，形狀如圖6所示，電感L1和L2用來平衡射頻端口與PCB天線之間的阻抗。CC2420通過SPI接口和STM8S105C6T6單片機(jī)進(jìn)行通信。
圖3 CC2420應(yīng)用電路
2 電路抗干擾設(shè)計(jì)
由于是高頻電路，器件的相互干擾變得尤為敏感，為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，建議在電路設(shè)計(jì)中采取以下措施：
● 采用四層PCB板，頂層主要走信號線，頂層下面依次是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號的輻射和串?dāng)_，應(yīng)盡量縮小信號回路面積，同時(shí)采用多點(diǎn)接地，降低接地阻抗；
● CC2420芯片底部必須采用少量過孔與地相連，保證芯片體可靠接地；
● 去耦電容必須盡可能靠近3V和1.8V電源引腳，并且電容接地端通過過孔就近接地，去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，減少了電壓振蕩現(xiàn)象；
● 芯片外圍器件的體積應(yīng)盡可能的小，建議使用0402規(guī)格的阻容器件；
● 將CC2420和STM8S105C6T6未用的信號輸入引腳通過一個(gè)10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因?yàn)殚_路的輸入端有很高的輸入阻抗，很容易受外界的電磁干擾，使懸浮電平有時(shí)處于‘1’，有時(shí)處于‘1’到‘0’的過渡狀態(tài)，易引起邏輯電路的誤導(dǎo)通。
監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)供電的有限性，節(jié)能是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題。
1 幀格式定義
為降低功耗，本設(shè)計(jì)沒有采用IEEE 802.15.4規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，而是對其進(jìn)行了簡化，降低了數(shù)據(jù)幀的長度，如表1所示。前導(dǎo)碼和幀起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束。數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，CC2420自動(dòng)在數(shù)據(jù)包的開始處加上前導(dǎo)碼和SFD，在數(shù)據(jù)包末尾自動(dòng)加上CRC校驗(yàn)碼（即幀檢查序列）。接收時(shí)，當(dāng)CC2420檢測到前導(dǎo)碼和SFD時(shí)開始接收幀長度以及后面的數(shù)據(jù)。幀長度為源地址、目的地址、負(fù)載和幀檢查序列的總字節(jié)數(shù)，這里為0x07。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都有唯一的地址，發(fā)送者為源地址，接收者為目的地址。
2 電源管理
為提高監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命，本設(shè)計(jì)采用了一種定更巡回監(jiān)測工作方式，具體過程如下：通過內(nèi)部時(shí)鐘的定時(shí)同步，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)在工作周期和休眠周期之間循環(huán)輪轉(zhuǎn)。當(dāng)工作周期一到，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)先對自己所在位置的壓力和流量進(jìn)行檢測并暫存在緩沖區(qū)中，然后關(guān)閉傳感器電源，接著打開CC2420的電源進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的封裝和收發(fā)。若工作周期沒有結(jié)束，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)就自動(dòng)進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)檢測和收發(fā)。當(dāng)工作周期結(jié)束，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)就關(guān)閉CC2420的電源，進(jìn)入休眠周期，主程序流程圖4所示。
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