李洪义
(西安外事学院,陕西西安 710077)
物联网技术[1]的飞速发展为实现各行各业的自动化提供了强大的支持。在高压输电线路的智能化运行和维护、室内用电设备和环境监控的组网远程控制、矿山智能化监测以及农业生产智能化监测等各行业应用中[2-8],如何安全、快速、有效地将各种传感器采集到的数据传输到应用层,并接收应用层的控制指令,是实现智能化控制的重要一环。
目前,在物联网应用工程中,主要的数据传输方式 有BlueTooth 组 网、WIFI 组 网、SimpliciTI 组 网、ZigBee组网等[9-10]。其中,ZigBee组网技术是近年来广泛应用于物联网工程中的新型技术,具有功耗低、延时短、自组网、网络容量大等优势,非常适合短距离无线组网进行数据通信,实现组网设备的远距控制[11-13]。在ZigBee 组网中,主要涉及到协调节点、路由节点和终端节点。其中,协调节点负责整个网络的构建,也作为连接其他不同类型网络的通信节点,称之为网关;路由节点通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输;该节点可以当终端节点来使用,也可以连接到其他的路由节点和终端节点;而终端节点就是整个网络的最后一个点,负责执行具体的数据采集及传输,不能连接到其他节点[14-15]。终端节点是ZigBee网络中应用量最大的节点。
该文采用NXP(恩智浦)公司的JN5169芯片来实现终端节点的通信和控制功能,极大地简化了设计难度和复杂度,该解决方案可使用户在最短的时间内完成终端节点产品设计,以极低的成本实现ZigBee 组网。
JN5169 是NXP(恩智浦)公司出品的一款小巧紧凑、超低功耗、高性能的无线微控制器芯片,支持IEEE 802.15.4 标准,适用于ZigBee 组网应用。
JN5169 的内部微控制器为32 位RISC 结构的微控制器,通过采用不同宽度指令、多级指令流水线和可编程时钟速率等技术,提供了较高的编码效率和超低功耗操作。具有512 kB 嵌入式闪存、32 kB RAM和4 kB EEPROM 存储器,无需外部存储器即可进行OTA 升级。
该微控制器还包含:①双线I2C 总线,可编程为主或从设备;②SPI 总线,可编程为主或从设备;③5 路PWM 接口;④2 路UART 接 口;⑤6 路10 bit ADC 接口;⑥最多可达20 个数字输入输出口(DIO);⑦电池和温度传感器;⑧看门狗和电源电压监控。
JN5169 的内部包含符合IEEE802.15.4 协议标准的2.4 GHz 收发器,用户无需关心该协议的具体内容即可实现ZigBee 组网通信;还包含丰富的模拟和数字外设,可使用户以简单的外部连接和极低的花费完成硬件设计。
JN5169 内部原理方框图如图1 所示。
图1 JN5169内部原理方框图
该芯片包含一个32 位RISC 结构的微控制器,以及512 kB 嵌入式FLASH 存储器、32 kB RAM 和4 kB EEPROM 内存;一个兼容2.4 GHz IEEE802.15.4 的无线收发器;电源管理模块;看门狗定时器模块;还包含模拟和数字外围部件。
为使设备正常工作,需正确配置电源。
JN5169第9脚是模拟部件电源管脚VDDA,第30脚是数字部件电源管脚VDDD,由这两个引脚为JN5169供电。
配置图分别如图2 和图3 所示。每个引脚连接电源VDD,并连接一个100 nF 的陶瓷电容器到地,用于去耦。模拟电源VDDA还需要一个普通的10 μF 钽电容器,用于低频去耦。
图2 模拟电源配置
图3 数字电源配置
内部1.8 V 调压器的外部元件连接如图4 所示,共有5 个引脚需要配置对地去耦电容。
图4 调压器外部元件连接图
第6 引脚VB_SYNTH 和 第35 引脚VB_DIG 只 需连接一个100 nF 的电容到地;第14 引脚VB_RF1 和第12 引脚VB_RF2 需要连接一个100 nF 的电容和一个47 pF 的电容到地;第8 引脚VB_VCO 需要连接一个10 nF 的电容到地。所有外接元件应尽可能靠近芯片连接在一起。
JN5169 包含5 个复位源:①内部上电复位/欠压复位(BOR);②外部复位复位;③软件重置复位;④看门狗定时器复位;⑤电源电压检测复位。
该设计采用内部上电复位/欠压复位(BOR)方式,该方式无需外部元件,简化了硬件设计。
当设备通电时,上电复位电路监控VDD电源的电压上升。当VDD达到指定阈值时产生复位信号,如图5所示。
图5 内部上电复位波形图
BOR 电路能够防止VDD的尖峰干扰,避免错误触发。
JN5169 包含晶体振荡器所需的片上组件,外部仅需晶体和两个电容即可构成振荡器。
该设计采用32 MHz晶体,配合两个12 pF电容构成振荡器。在管脚XTAL_IN 和XTAL_OUT 之间连接晶体,每个管脚通过电容接地,电路如图6 所示。
图6 晶体振荡器电路
电容应选C0G 陶瓷电容,在设计印刷电路板时,电容和石英晶体应尽量靠近芯片,连线应尽可能短。
在实际应用中,经常采用单端天线,JN5169 芯片需要在外围配置一个射频匹配网络来连接单端天线。射频匹配网络只需要两个电容器和两个电感器;另外,在IBIAS 和地之间需要一个外部电阻,用于配置射频电路的各种偏置电流。这些元件非常关键,设计印刷电路板时,应尽可能靠近JN5169 引脚和地。电路如图7 所示。
图7 射频匹配网络电路
完整的终端节点硬件设计电路如图8 所示。
图8 终端节点硬件设计电路
需要说明的是,该文旨在介绍通用ZigBee终端节点设计,主要涉及到微控制器和数据传输部分,关于数据采集电路和受控电路可根据实际应用情况,采用文献[16-19]中介绍的各种电路,不再赘述。
系统软件采用C 语言编制。为方便软件编写、调试和管理,采用模块式结构,主要包括主程序模块和数据传输模块。
主程序模块完成端点硬件的初始化、启动MAC、加入网络和保存网络参数等工作。其流程图如图9所示。
图9 主程序流程图
数据传输模块主要完成节点数据上传,以及接收路由节点的数据。其流程图如图10 所示。
图10 数据传输模块流程图
由于JN5169 内部包含符合IEEE 802.15.4 协议标准的2.4 GHz 收发器,用户只需调用相应的操作函数即可完成数据的传输。
该文所设计的通用ZigBee 终端节点具有较强的综合性和开放性,适合单片机控制、无线通信、ZigBee 网络等方面的层次化、创新性应用,极大地简化了产品的设计难度和复杂度,可使用户在最短的时间内完成ZigBee 组网应用中的终端节点产品设计,以极低的成本实现ZigBee 组网。