無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2013-10-09 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
  海量資料庫(kù)查詢

2．2 射頻前端電路設(shè)計(jì)
CC2530是無(wú)線SoC設(shè)計(jì)方案，只需采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)基本的信號(hào)收發(fā)功能。然而，要達(dá)到理想的性能，需要設(shè)計(jì)和優(yōu)選射頻電路參數(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無(wú)線信號(hào)傳輸、最大的通信距離和良好的電磁兼容性能。
CC2530的射頻輸出為差分信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)差分一單端轉(zhuǎn)換電路，才能與常用的鞭狀或貼片天線連接；另外CC2530射頻輸出端的差分阻抗為(69+j29)Ω，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸，需要進(jìn)行阻抗變換，使射頻收發(fā)系統(tǒng)的天線接口端的阻抗等于標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω。以上兩點(diǎn)功能是射頻前端電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)。
差分一單端轉(zhuǎn)換電路基于TI公司提供的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)仿真和優(yōu)化，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)定位系統(tǒng)需求及節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合系統(tǒng)要求。
射頻前端電路手冊(cè)圖如圖3所示。其中，Term2為50 Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

在ADS2011環(huán)境下對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行S參數(shù)仿真及Z參數(shù)仿真，仿真結(jié)果略——編者注。
仿真結(jié)果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò)正向傳播系數(shù)為-0．685dB，即插入損耗小于0．076；回波損耗為-22．733 dB，即小于0．073；輸入阻抗為69．181 Ω，輸出阻抗為50．221 Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2．3 電源模塊設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)核心芯片CC2530的工作電壓為2～3．6 V，其射頻輸出功率和接收靈敏度受到供電電壓的影響。射頻信號(hào)強(qiáng)度信息是定位的關(guān)鍵信息，因此，必須保證供電電壓的穩(wěn)定，才能保證定位信息的準(zhǔn)確。同時(shí)，參考節(jié)電與盲節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，將采取普通堿性電池、充電電池、鋰電池、直流電源等多種供電方式，輸入電源電壓范圍較寬。最后，電源模塊需要采用DC—DC轉(zhuǎn)換的方式，以提高電源轉(zhuǎn)換效率，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

TI公司的TPS63001為一款升降壓轉(zhuǎn)化器，輸入電壓范圍為1．8～5．5 V，輸出電壓3．3 V，最大輸出電流800mA，采用3 mm×3 mm微型封裝，效率可高達(dá)96％。適用于普通堿性電池、充電電池、鋰電池等多種供電模式，具有適應(yīng)范圍寬、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電源設(shè)計(jì)的需求。電源模塊原理如圖4所示。

3 基于ZigBee的室內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)基于OSAL操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用任務(wù)(UserApp)和ZigBee設(shè)備對(duì)象任務(wù)(ZDO)一起在OSAL操作系統(tǒng)的調(diào)度下運(yùn)行，其調(diào)度機(jī)制基于優(yōu)先級(jí)。其中，用戶應(yīng)用任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)如圖5所示。

ZigBee系統(tǒng)任務(wù)在TI公司提供的Z—Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。ZigBee協(xié)議從上到下由應(yīng)用層APS、網(wǎng)絡(luò)層NWK、媒體訪問(wèn)控制層MAC和物理層PHY組成。應(yīng)用層的主要功能與定位信息的采集與傳輸密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括配置設(shè)備、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，確保數(shù)據(jù)安全、有效地傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。媒體訪問(wèn)控制層MAC控制著設(shè)備接入無(wú)線信道的時(shí)間和方法，確保數(shù)據(jù)鏈的可靠性。物理層PHY主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成信道的評(píng)估和射頻信號(hào)能量的測(cè)量。應(yīng)用層APS數(shù)據(jù)從一個(gè)ZigBee設(shè)備發(fā)送到另一個(gè)ZigBee設(shè)備，是一個(gè)層次封裝，然后層次解析的過(guò)程。數(shù)據(jù)傳遞流程如圖6所示。

3．2 ZigBee軟件設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是定位系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，關(guān)系到定位數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程如下：節(jié)點(diǎn)在預(yù)先設(shè)定的信道上資料存入自己的相鄰表。在相鄰表所有父節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)深度最小的，并對(duì)其發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求信息。如果發(fā)出的請(qǐng)求被批準(zhǔn)，父節(jié)點(diǎn)會(huì)分配給它一個(gè)2字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址，此時(shí)入網(wǎng)成功；如果請(qǐng)求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請(qǐng)求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或相鄰表中都沒(méi)有合適的父節(jié)點(diǎn)，則入網(wǎng)失敗，中止過(guò)程。