一种低功耗无线呼叫系统的设计与实现

2012-05-18丽水学院蒋伟丽

电子世界 2012年22期

丽水学院吕晔蒋伟丽

传统的呼叫系统多是有线的，多采用单片机系统、主机和呼叫器通过导线相连，包括电源线、信号线、地线，这样的系统存在着布线繁琐、成本高等问题；而现有的大多数无线呼叫系统也存在系统功耗大、节点体积相对较大等缺点，这与便携式设备尽量小型化、集成化、省电式的要求不相符合。为了解决这个矛盾，本文选取ZigBee协议作为底层通讯协议，提出了基于ZigBee技术的无线呼叫系统，实现了低成本、低功耗、高服务质量的系统要求。

1.设计方案

该呼叫系统是由一个网络协调器(Coordinator)节点、若干个RFD(呼叫器)节点、几个路由器(Router)节点组成的簇状网络[2]，其框架如图1所示。上位机通过串口与一个ZigBee模块连接，该模块属于全功能设备(FFD，Full Function Device)，负责建立和管理网络，称为ZigBee网络协调器，它可以通过PC机串口来保存和显示相应信息。下位机的绝大多数ZigBee模块也是FFD，而RFD(Reduced Function Device)设备总是作为簇状网络的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可初始化为普通终端设备或者网络协调器、路由器，为其他设备提供同步信息，但一个网络只能有一个网络协调器。当网络协调器组建网络成功后，路由器和普通RFD设备可以直接与网络协调器取得关联，加入网络，也可以通过上级路由器与网络协调器取得关联，加入网络。

2.硬件电路设计

2.1 无线呼叫系统网络协调器模块

网络中协调器兼顾了控制、仲裁、处理的功能[3]。该模块上有射频模块、蜂鸣器、复位电路、IDC10下载器插槽、串口模块。蜂鸣器鸣叫用于提示接收到一个信息。该系统中节点天线设计有两种：带SMA头的射频天线，PCB布线天线。相比较而言，采用SMA头的射频天线，节点性能更稳定，但成本相对更高。本无线呼叫系统中网络协调器的天线用了带SMA头的接收性能比较好的射频天线。网络协调器的电路框图如图2所示。

2.2 无线呼叫系统呼叫器模块

呼叫器节点由电池供电，上面有射频模块、复位电路、IDC10下载器插槽、电池盒、两个LED、两个按钮。一个按钮用于故障报警，另一个按钮用于其他服务。该呼叫器节点的电路框图如图3所示，其中呼叫节点天线采用PCB布线天线。相比较网络协调器的那种射频天线而言，成本相对降低。路由器节点的硬件设计与呼叫器相同，只在软件设计方面有所不同。

表1 参数测试表

图1 ZigBee无线呼叫系统框图

图2 无线呼叫系统网络协调器的电路框图

2.3 ZigBee射频收发模块

ZigBee模块的性能，是影响整个呼叫系统的关键。本文的ZigBee模块采用CC2430和CC2591功放的结合[4-5]，由于CC2591内部集成了RF匹配网络，所以在RF输入/输出部分不需要增加额外的匹配网络，其硬件设计原理如图4所示，为了图形的直观性，电源及滤波电容、数字I/O口、ADC接口并未在图中标出。

图4中R1和R2是偏置电阻。R1为32MHz晶振设置精确的偏置电流，R2用于RF部分的电流参考发生器。

图3 无线呼叫系统终端设备的电路框图

图4 ZigBee模块原理图

图5 协调器节点工作状态图

CC2430芯片的主时钟是由外部晶振XTAL1和两个负载电容C14、C15提供的。定时器/计数器1、2、3、4都工作于该时钟。此时钟还提供给8051所有的外设。时钟的控制通过使用SFR寄存器CLKCON来实现。而XTAL2和电容C1、C2用来产生32.768KHz的时钟，该时钟主要为CC2430和CC2591在休眠的时候提供时序。此外，该时钟还可以通过CC2430内部的32KHz的RC振荡器来产生。

CC2591的HGM、EN、PA_EN引脚都连接到CC2430闲置的I/O口，由单片机来控制。当HGM为高电平，表示CC2591接收数据时，LNA是高增益模式；当HGM为低电平，表示CC2591接收数据时，LNA是低增益模式。而EN引脚和PA_EN引脚在CC2591正常工作时候置为高电平，当其进入低功耗模式时候，将其置为低电平，这样可以降低功耗。

3.软件设计

无线呼叫系统软件设计主要包括三部分：ZigBee协议栈的实现，基于CC2430和CC2591硬件驱动的编写，无线呼叫系统的应用程序实现，包括人机界面，呼叫请求和处理、电池检测、低功耗功能等。

3.1 ZigBee协议栈源程序

TI公司推出的Z-stack是完全开源的C语言协议栈，具有很好的可移植性和很好的程序可读性。Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式；当事件发生时，唤醒系统并进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断其优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降低系统的功耗。这部分的软件主要包括设备初始化、协调器组网、节点加入网络、无线数据收发和处理等程序。

3.2 无线呼叫系统的应用程序

系统初始化后，网络协调器建立ZigBee网络，路由器节点、各个RFD(呼叫器节点)随后加入该网络。路由器节点和呼叫器节点加入网络成功后，马上发送自己的编号给协调器，然后呼叫器节点进入完全休眠。协调器节点工作状态如图5所示。

本系统中，呼叫器发送的信息有四种：

自己的编号、按键请求、电池电量低、提取处理结果命令。协调器发送给呼叫器处理结果有三种：当前服务员忙，呼叫器LED灯亮；服务总台正派服务员前往呼叫请求地，呼叫器上LED定时闪烁；服务员处理完呼叫请求，已返回总台，呼叫器上LED灯灭。

3.3 呼叫器节点低功耗的实现

呼叫器节点在加入Zigbee网络后，没有呼叫请求或者当前呼叫请求处理完成后，都能进入完全休眠模式，很好地实现了低功耗的特点。此种休眠的实现是通过设置相关寄存器。其中RFPWR用于设置射频功率，当进入休眠模式的时候，需要将电压调整器的模拟部分关闭。SLEEP是睡眠模式控制器，用于设置电源模式1或2或3。PCON是电源模式控制寄存器，只有当该寄存器最低位赋为1的时候，系统才能强制进入由SLEEP寄存器所设定的电源模式。部分代码如下：

除此之外，为了进一步降低功耗，本文在呼叫器发出了呼叫请求且处于等待处理过程，或者收到处理结果，但是一直没有处理完毕，这两种情况下，给呼叫器节点加入了定时休眠的功能。

4.实验结果分析

经过实验可知，一个呼叫器和协调器点对点直接通信的可视距离为130m，当呼叫器通过路由器与协调器通信的话，呼叫器和协调器之间的通信可视距离就将近250m，即路由器发挥了它扩展网络、中转信息的功能。相关测试参数如表1所示。

经过反复测试，整个系统工作正常，6个呼叫节点能正确接收处理结果直完成，并且6个呼叫器节点能同时处于长时间的工作状态，能正确接收自己所需要的信息。通过计算可知呼叫器节点电池寿命达10个月，实现了低功耗的要求，并且当呼叫器节点电池电量低于2.1V的时候，呼叫器能发送电量低的信息给协调器，协调器传给PC机，通过串口界面操作人员就能很清楚地看到哪个呼叫器的电池需要更换，从而实现了电池检测功能。