基于ZigBee的無線病房呼叫系統(tǒng)便攜端設(shè)計(jì)

1 引言

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee 是一種用于無線連接的全球標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)建立的重點(diǎn)是可靠性、低成本、長電池壽命和容易應(yīng)用。不僅是簡單的線纜互連的替代方案，而且能在不同ZigBee 設(shè)備之間即連即用的建立無線網(wǎng)絡(luò)，方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、交換，同時(shí)具有低功耗、較高數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點(diǎn)。利用Zighee 技術(shù)的低功耗無線傳輸和自組網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)隔離監(jiān)護(hù)、動態(tài)監(jiān)護(hù).ZigBee 技術(shù)與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、家庭保健監(jiān)護(hù),是實(shí)現(xiàn)無線病房呼叫服務(wù)的理想選擇。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案是采用的新興的ZigBee 無線技術(shù)，由于ZigBee 提供免費(fèi)的協(xié)議棧，所以我們在開發(fā)應(yīng)用程序中使用這些協(xié)議棧提供的底層函數(shù)時(shí)不需要額外付費(fèi)。再加上ZigBee具有網(wǎng)絡(luò)容量大可以支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、安全及時(shí)延短、使用頻段為2.4GHz 的免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)，可以很好的滿足設(shè)計(jì)的需要。

本研究方案采用MCU 和RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案。其方案優(yōu)點(diǎn)是方案靈活性高，有很好的可擴(kuò)展性。硬件設(shè)計(jì)方案選擇為MSP430F4618+CC2420 的雙芯片解決方案。

MSP430FG4618 是具有100 個(gè)引腳的16 位超低功耗MCU:

在主動模式下，工作在1MHz 情況下，耗電為400uA;在待機(jī)模式下，僅為1.3uA;在RAM 保持關(guān)閉模式下，僅為0.22uA.具有5 種節(jié)電模式；從待機(jī)狀態(tài)喚醒的時(shí)間小于6uS.

它還擁有豐富的片上資源：具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位ADC、雙DAC、DMA、3 個(gè)OPAMP和16 段LCD,采用外部8MHz 晶振（時(shí)鐘），主要功能是根據(jù)用戶的命令，完成按鍵檢測、液晶顯示以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。它提供兩個(gè)雙工串口UART0、UART1,可實(shí)現(xiàn)與天線控制器和MODEM 的異步數(shù)據(jù)通信，并可用UART 多串口擴(kuò)展芯片（SP2338DP）按需要將其擴(kuò)展至多個(gè)較高波特率的UART 串口，由于界面顯示程序占用較大的RAM 和Flash,并且要求較高的運(yùn)算速率，MSP430FG4618 系列恰能滿足設(shè)計(jì)要求。

CC2420 是Chipcon 公司（現(xiàn)屬于TI公司）推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器[3].該器件是第一款適用于ZigBee 產(chǎn)品的RF 器件。它基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術(shù)，以0.18umCMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。

CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了調(diào)試端口。JTAG 接口用來調(diào)試和下載程序。RS232 串口提供調(diào)試信息輸出并用于與PC 機(jī)交互。RF 插座可以插入功能完好的射頻模塊進(jìn)行調(diào)試，且引出測試點(diǎn)易于測量波形。由于射頻電路不易調(diào)試，出現(xiàn)問題時(shí)不容易定位錯(cuò)誤點(diǎn)。也要先預(yù)留調(diào)試接口，可以先試用確保功能正確的獨(dú)立RF 模塊調(diào)試電路板基本功能，最后焊接電路板上的RFIC和天線匹配電容、電感，以提高調(diào)試效率。

采用本方案設(shè)計(jì)的好處是硬件平臺只需要十分少的外部元器件和設(shè)備，相應(yīng)的需要的元器件就成本低，并且該平臺可以穩(wěn)定的運(yùn)行。

由于便攜終端采用電池供電，同時(shí)低功耗也是ZigBee 系統(tǒng)應(yīng)用成功的關(guān)鍵，所以低功耗自然也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。為了最大程度地降低系統(tǒng)的功耗，從硬件設(shè)計(jì)角度考慮，我們在硬件方面采用以低功耗而聞名的TI 公司的MSP430 系列處理器，無線收發(fā)芯片采用毫安級別的CC2420 芯片，兩者組合的硬件平臺在功率消耗方面表現(xiàn)十分出色；從軟件設(shè)計(jì)角度考慮，也可以利用好MSP340F4618 芯片的節(jié)電模式，根據(jù)需要采用看門狗、中斷以及定時(shí)器的方式來喚醒設(shè)備進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，其余的時(shí)間設(shè)備都處在幾乎不消耗電能的睡眠狀態(tài)以降低系統(tǒng)功耗。

3 系統(tǒng)呼叫模塊硬件設(shè)計(jì)

我們根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)出電路的總體結(jié)構(gòu)，從功能模塊角度劃分可以分為幾個(gè)部分：MSP430 模塊、RS232 模塊、顯示模塊，聲光報(bào)警和鍵盤模塊。其中射頻芯片采用的是Chipon CC2420,微控制器采用的是TI 公司的MSP430FG4618,輸入設(shè)備是按鍵，輸出設(shè)備有LED 和液晶顯示芯片，與外界接口有RS232 和JTAG,上述設(shè)備可以滿足需要并可支持功能擴(kuò)展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用電池供電。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1 所示。

MSP430 模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本文設(shè)計(jì)的呼叫模塊是由MSP430FG4618 和外圍電路構(gòu)成。

圖3-2 給出了MSP430FG4618 的核心電路，包括JATG 接口、復(fù)位電路、電源和時(shí)鐘電路。

同時(shí)，將沒有用到的芯片引腳引出放置到電路板的邊緣，方便以后需要的時(shí)候進(jìn)行擴(kuò)展。