无线传感器网络的室内定位节点设计

作者：时间：2013-10-09 来源：网络收藏

2．2 射频前端电路设计
CC2530是无线SoC设计方案，只需采用较少的外围电路即可实现基本的信号收发功能。然而，要达到理想的性能，需要设计和优选射频电路参数，才能够实现稳定的无线信号传输、最大的通信距离和良好的电磁兼容性能。
CC2530的射频输出为差分信号，需要经过差分一单端转换电路，才能与常用的鞭状或贴片天线连接；另外CC2530射频输出端的差分阻抗为(69+j29)Ω，为实现信号的高效传输，需要进行阻抗变换，使射频收发系统的天线接口端的阻抗等于标准的50 Ω。以上两点功能是射频前端电路设计的主要任务与设计目标。
差分一单端转换电路基于TI公司提供的参考设计进行了参数仿真和优化，阻抗匹配网络根据定位系统需求及节点硬件设计特点重新设计，保证在阻抗匹配、收敛性及电磁兼容性能等方面符合系统要求。
射频前端电路手册图如图3所示。其中，Term2为50 Ω天线接口，Term1与Term3及Balun器件CMP1是模拟CC2530射频输出端的虚拟器件。

在ADS2011环境下对该设计进行S参数仿真及Z参数仿真，仿真结果略——编者注。
仿真结果显示，匹配网络正向传播系数为-0．685dB，即插入损耗小于0．076；回波损耗为-22．733 dB，即小于0．073；输入阻抗为69．181 Ω，输出阻抗为50．221 Ω，匹配网络较好地达到了设计目标。
2．3 电源模块设计
节点核心芯片CC2530的工作电压为2～3．6 V，其射频输出功率和接收灵敏度受到供电电压的影响。射频信号强度信息是定位的关键信息，因此，必须保证供电电压的稳定，才能保证定位信息的准确。同时，参考节电与盲节点根据应用场合不同，将采取普通碱性电池、充电电池、锂电池、直流电源等多种供电方式，输入电源电压范围较宽。最后，电源模块需要采用DC—DC转换的方式，以提高电源转换效率，延长电池使用时间。

TI公司的TPS63001为一款升降压转化器，输入电压范围为1．8～5．5 V，输出电压3．3 V，最大输出电流800mA，采用3 mm×3 mm微型封装，效率可高达96％。适用于普通碱性电池、充电电池、锂电池等多种供电模式，具有适应范围宽、效率高、体积小等优点，能够满足电源设计的需求。电源模块原理如图4所示。

3 基于ZigBee的室内定位节点软件设计
3．1 软件结构
节点的软件设计基于OSAL操作系统、用户应用任务(UserApp)和ZigBee设备对象任务(ZDO)一起在OSAL操作系统的调度下运行，其调度机制基于优先级。其中，用户应用任务优先级最低。节点软件架构如图5所示。

ZigBee系统任务在TI公司提供的Z—Stack协议栈的基础上设计实现。ZigBee协议从上到下由应用层APS、网络层NWK、媒体访问控制层MAC和物理层PHY组成。应用层的主要功能与定位信息的采集与传输密切相关。网络层的功能包括配置设备、路由发现和维护，确保数据安全、有效地传输到目的设备。媒体访问控制层MAC控制着设备接入无线信道的时间和方法，确保数据链的可靠性。物理层PHY主要实现数据的发送和接收，完成信道的评估和射频信号能量的测量。应用层APS数据从一个ZigBee设备发送到另一个ZigBee设备，是一个层次封装，然后层次解析的过程。数据传递流程如图6所示。

3．2 ZigBee软件设计
节点加入ZigBee网络运行是定位系统运行的基础，关系到定位数据的可靠性和系统的稳定性。节点上电后，首先进行硬件初始化和网络初始化。节点加入网络的过程如下：节点在预先设定的信道上资料存入自己的相邻表。在相邻表所有父节点中选择一个深度最小的，并对其发出入网请求信息。如果发出的请求被批准，父节点会分配给它一个2字节的网络地址，此时入网成功；如果请求失败，那么重新查找相邻表，继续发送请求信息，直到加入网络或相邻表中都没有合适的父节点，则入网失败，中止过程。