一種低功耗無線呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

麗水學(xué)院 呂 曄 蔣偉麗

傳統(tǒng)的呼叫系統(tǒng)多是有線的，多采用單片機(jī)系統(tǒng)、主機(jī)和呼叫器通過導(dǎo)線相連，包括電源線、信號線、地線，這樣的系統(tǒng)存在著布線繁瑣、成本高等問題；而現(xiàn)有的大多數(shù)無線呼叫系統(tǒng)也存在系統(tǒng)功耗大、節(jié)點(diǎn)體積相對較大等缺點(diǎn)，這與便攜式設(shè)備盡量小型化、集成化、省電式的要求不相符合。為了解決這個(gè)矛盾，本文選取ZigBee協(xié)議作為底層通訊協(xié)議，提出了基于ZigBee技術(shù)的無線呼叫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高服務(wù)質(zhì)量的系統(tǒng)要求。

1.設(shè)計(jì)方案

該呼叫系統(tǒng)是由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)RFD(呼叫器)節(jié)點(diǎn)、幾個(gè)路由器(Router)節(jié)點(diǎn)組成的簇狀網(wǎng)絡(luò)[2]，其框架如圖1所示。上位機(jī)通過串口與一個(gè)ZigBee模塊連接，該模塊屬于全功能設(shè)備(FFD，F(xiàn)ull Function Device)，負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)，稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它可以通過PC機(jī)串口來保存和顯示相應(yīng)信息。下位機(jī)的絕大多數(shù)ZigBee模塊也是FFD，而RFD(Reduced Function Device)設(shè)備總是作為簇狀網(wǎng)絡(luò)的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個(gè)FFD都可初始化為普通終端設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器，為其他設(shè)備提供同步信息，但一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)成功后，路由器和普通RFD設(shè)備可以直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器取得關(guān)聯(lián)，加入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過上級路由器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器取得關(guān)聯(lián)，加入網(wǎng)絡(luò)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線呼叫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊

網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器兼顧了控制、仲裁、處理的功能[3]。該模塊上有射頻模塊、蜂鳴器、復(fù)位電路、IDC10下載器插槽、串口模塊。蜂鳴器鳴叫用于提示接收到一個(gè)信息。該系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)天線設(shè)計(jì)有兩種：帶SMA頭的射頻天線，PCB布線天線。相比較而言，采用SMA頭的射頻天線，節(jié)點(diǎn)性能更穩(wěn)定，但成本相對更高。本無線呼叫系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的天線用了帶SMA頭的接收性能比較好的射頻天線。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路框圖如圖2所示。

2.2 無線呼叫系統(tǒng)呼叫器模塊

呼叫器節(jié)點(diǎn)由電池供電，上面有射頻模塊、復(fù)位電路、IDC10下載器插槽、電池盒、兩個(gè)LED、兩個(gè)按鈕。一個(gè)按鈕用于故障報(bào)警，另一個(gè)按鈕用于其他服務(wù)。該呼叫器節(jié)點(diǎn)的電路框圖如圖3所示，其中呼叫節(jié)點(diǎn)天線采用PCB布線天線。相比較網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的那種射頻天線而言，成本相對降低。路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與呼叫器相同，只在軟件設(shè)計(jì)方面有所不同。

表1 參數(shù)測試表

圖1 ZigBee無線呼叫系統(tǒng)框圖

圖2 無線呼叫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路框圖

2.3 ZigBee射頻收發(fā)模塊

ZigBee模塊的性能，是影響整個(gè)呼叫系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文的ZigBee模塊采用CC2430和CC2591功放的結(jié)合[4-5]，由于CC2591內(nèi)部集成了RF匹配網(wǎng)絡(luò)，所以在RF輸入/輸出部分不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，其硬件設(shè)計(jì)原理如圖4所示，為了圖形的直觀性，電源及濾波電容、數(shù)字I/O口、ADC接口并未在圖中標(biāo)出。

圖4中R1和R2是偏置電阻。R1為32MHz晶振設(shè)置精確的偏置電流，R2用于RF部分的電流參考發(fā)生器。

圖3 無線呼叫系統(tǒng)終端設(shè)備的電路框圖

圖4 ZigBee模塊原理圖

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)圖

CC2430芯片的主時(shí)鐘是由外部晶振XTAL1和兩個(gè)負(fù)載電容C14、C15提供的。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1、2、3、4都工作于該時(shí)鐘。此時(shí)鐘還提供給8051所有的外設(shè)。時(shí)鐘的控制通過使用SFR寄存器CLKCON來實(shí)現(xiàn)。而XTAL2和電容C1、C2用來產(chǎn)生32.768KHz的時(shí)鐘，該時(shí)鐘主要為CC2430和CC2591在休眠的時(shí)候提供時(shí)序。此外，該時(shí)鐘還可以通過CC2430內(nèi)部的32KHz的RC振蕩器來產(chǎn)生。

CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳都連接到CC2430閑置的I/O口，由單片機(jī)來控制。當(dāng)HGM為高電平，表示CC2591接收數(shù)據(jù)時(shí)，LNA是高增益模式；當(dāng)HGM為低電平，表示CC2591接收數(shù)據(jù)時(shí)，LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時(shí)候置為高電平，當(dāng)其進(jìn)入低功耗模式時(shí)候，將其置為低電平，這樣可以降低功耗。

3.軟件設(shè)計(jì)

無線呼叫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三部分：ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，基于CC2430和CC2591硬件驅(qū)動的編寫，無線呼叫系統(tǒng)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，包括人機(jī)界面，呼叫請求和處理、電池檢測、低功耗功能等。

3.1 ZigBee協(xié)議棧源程序

TI公司推出的Z-stack是完全開源的C語言協(xié)議棧，具有很好的可移植性和很好的程序可讀性。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式；當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)并進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷其優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。這部分的軟件主要包括設(shè)備初始化、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)和處理等程序。

3.2 無線呼叫系統(tǒng)的應(yīng)用程序

系統(tǒng)初始化后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點(diǎn)、各個(gè)RFD(呼叫器節(jié)點(diǎn))隨后加入該網(wǎng)絡(luò)。路由器節(jié)點(diǎn)和呼叫器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后，馬上發(fā)送自己的編號給協(xié)調(diào)器，然后呼叫器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入完全休眠。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)如圖5所示。

本系統(tǒng)中，呼叫器發(fā)送的信息有四種：

自己的編號、按鍵請求、電池電量低、提取處理結(jié)果命令。協(xié)調(diào)器發(fā)送給呼叫器處理結(jié)果有三種：當(dāng)前服務(wù)員忙，呼叫器LED燈亮；服務(wù)總臺正派服務(wù)員前往呼叫請求地，呼叫器上LED定時(shí)閃爍；服務(wù)員處理完呼叫請求，已返回總臺，呼叫器上LED燈滅。

3.3 呼叫器節(jié)點(diǎn)低功耗的實(shí)現(xiàn)

呼叫器節(jié)點(diǎn)在加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)后，沒有呼叫請求或者當(dāng)前呼叫請求處理完成后，都能進(jìn)入完全休眠模式，很好地實(shí)現(xiàn)了低功耗的特點(diǎn)。此種休眠的實(shí)現(xiàn)是通過設(shè)置相關(guān)寄存器。其中RFPWR用于設(shè)置射頻功率，當(dāng)進(jìn)入休眠模式的時(shí)候，需要將電壓調(diào)整器的模擬部分關(guān)閉。SLEEP是睡眠模式控制器，用于設(shè)置電源模式1或2或3。PCON是電源模式控制寄存器，只有當(dāng)該寄存器最低位賦為1的時(shí)候，系統(tǒng)才能強(qiáng)制進(jìn)入由SLEEP寄存器所設(shè)定的電源模式。部分代碼如下：

除此之外，為了進(jìn)一步降低功耗，本文在呼叫器發(fā)出了呼叫請求且處于等待處理過程，或者收到處理結(jié)果，但是一直沒有處理完畢，這兩種情況下，給呼叫器節(jié)點(diǎn)加入了定時(shí)休眠的功能。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，一個(gè)呼叫器和協(xié)調(diào)器點(diǎn)對點(diǎn)直接通信的可視距離為130m，當(dāng)呼叫器通過路由器與協(xié)調(diào)器通信的話，呼叫器和協(xié)調(diào)器之間的通信可視距離就將近250m，即路由器發(fā)揮了它擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)、中轉(zhuǎn)信息的功能。相關(guān)測試參數(shù)如表1所示。

經(jīng)過反復(fù)測試，整個(gè)系統(tǒng)工作正常，6個(gè)呼叫節(jié)點(diǎn)能正確接收處理結(jié)果直完成，并且6個(gè)呼叫器節(jié)點(diǎn)能同時(shí)處于長時(shí)間的工作狀態(tài)，能正確接收自己所需要的信息。通過計(jì)算可知呼叫器節(jié)點(diǎn)電池壽命達(dá)10個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了低功耗的要求，并且當(dāng)呼叫器節(jié)點(diǎn)電池電量低于2.1V的時(shí)候，呼叫器能發(fā)送電量低的信息給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器傳給PC機(jī)，通過串口界面操作人員就能很清楚地看到哪個(gè)呼叫器的電池需要更換，從而實(shí)現(xiàn)了電池檢測功能。

5.總結(jié)

針對目前無線呼叫系統(tǒng)主要存在的電路比較復(fù)雜等問題，本文對基于ZigBee技術(shù)的無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了開發(fā)和研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無線呼叫網(wǎng)絡(luò)，為無線呼叫系統(tǒng)在醫(yī)療、餐飲等方面的應(yīng)用開發(fā)打下一定基礎(chǔ)。

[1]王瑋,樊則賓.基于CC2430的無線溫度檢測終端的設(shè)計(jì)[J].電子工程師,2007,8:78.

[2]瞿雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:10-13.

[3]王竹林,秦會斌,胡煒薇.基于ZigBee的無線呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件,2009,3:613-615.

[4]Texas Instrument.CC2430 Datasheet[EB/OL].2007.5.

[5]Texas Instrument.CC2591 Datasheet[EB/OL].2008.6.