ZigBee技術(shù)在輸油管泄漏監測系統中的應用研究

根據以上特點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)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標準，傳輸速率最大250kb/s，采用具有內嵌閃存的0.18μm CMOS標準技術(shù)，最低功耗不到1μA，體積小，外形尺寸只有7mm×7mm。

CC2420應用電路如圖3所示，主要包括電源去耦電路、晶振電路和天線(xiàn)匹配電路。由于RF芯片對電源的噪聲非常敏感，恰當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。晶振電路給內部操作提供必要的時(shí)序，本設計配置了16MHz晶振，匹配電容C41和C42的值均為27pF。對于射頻電路，天線(xiàn)的性能直接決定了能否正常進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，根據CC2420天線(xiàn)選擇指南，綜合考慮成本、性能和適用環(huán)境，本設計選用的是2.4GHz差分天線(xiàn)。這種天線(xiàn)直接做在PCB板上，適用于低功耗設計，成本低，占空間小，形狀如圖6所示，電感L1和L2用來(lái)平衡射頻端口與PCB天線(xiàn)之間的阻抗。CC2420通過(guò)SPI接口和STM8S105C6T6單片機進(jìn)行通信。

圖3 CC2420應用電路

2 電路抗干擾設計
由于是高頻電路，器件的相互干擾變得尤為敏感，為保證系統長(cháng)期穩定、可靠的運行，建議在電路設計中采取以下措施：

● 采用四層PCB板，頂層主要走信號線(xiàn)，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擾，應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(guò)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(guò)過(guò)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，減少了電壓振蕩現象；

● 芯片外圍器件的體積應盡可能的小，建議使用0402規格的阻容器件；

● 將CC2420和STM8S105C6T6未用的信號輸入引腳通過(guò)一個(gè)10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因為開(kāi)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(guò)渡狀態(tài)，易引起邏輯電路的誤導通。

監測網(wǎng)絡(luò )軟件設計
由于監測節點(diǎn)供電的有限性，節能是監測網(wǎng)絡(luò )軟件設計時(shí)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

1 幀格式定義
為降低功耗，本設計沒(méi)有采用IEEE 802.15.4規定的標準幀格式，而是對其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，降低了數據幀的長(cháng)度，如表1所示。前導碼和幀起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于標志一幀數據的開(kāi)始和結束。數據幀發(fā)送時(shí)，CC2420自動(dòng)在數據包的開(kāi)始處加上前導碼和SFD，在數據包末尾自動(dòng)加上CRC校驗碼（即幀檢查序列）。接收時(shí)，當CC2420檢測到前導碼和SFD時(shí)開(kāi)始接收幀長(cháng)度以及后面的數據。幀長(cháng)度為源地址、目的地址、負載和幀檢查序列的總字節數，這里為0x07。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)設備都有唯一的地址，發(fā)送者為源地址，接收者為目的地址。

2 電源管理
為提高監測系統的使用壽命，本設計采用了一種定更巡回監測工作方式，具體過(guò)程如下：通過(guò)內部時(shí)鐘的定時(shí)同步，監測網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)在工作周期和休眠周期之間循環(huán)輪轉。當工作周期一到，監測節點(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中，然后關(guān)閉傳感器電源，接著(zhù)打開(kāi)CC2420的電源進(jìn)行數據幀的封裝和收發(fā)。若工作周期沒(méi)有結束，監測節點(diǎn)就自動(dòng)進(jìn)行下一次的數據檢測和收發(fā)。當工作周期結束，監測節點(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。