一種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，該Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備包括第一本地振蕩器以及依次連接的Zigbee芯片、第一混頻器、第一中頻濾波器、功率放大器、LC匹配器以及中頻天線，第一本地振蕩器連接第一混頻器。通過上述方式，本實用新型的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備中將Zigbee芯片的高頻傳輸模式改成了中頻傳輸，因此信號的傳遞距離變遠，跨越障礙的能力變強，又保存了Zigbee自組網(wǎng)的優(yōu)點，是一種中短途信號傳輸效果優(yōu)秀的設(shè)備。
【專利說明】-種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種無線傳輸設(shè)備，特別涉及一種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] Zigbee是基于IE邸802. 15. 42標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，2000年12月，IE邸 802無線個域網(wǎng)（WPAN,Wireless化rsonalAreaNetwork)小組成立，致力于WPAN無線傳 輸協(xié)議的建立。2003年12月JE邸正式發(fā)布了該技術(shù)物理層和MAC層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議， 即IE邸802. 15. 4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2004年 12月，Zigbee聯(lián)盟在IE邸802. 15. 4定義的物理層（PHY)和媒體接入層（MAC)的基礎(chǔ)上定 義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，正式發(fā)布了基于IE邸802. 15. 4的Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
[0003]Zigbee技術(shù)是由英國Invensys公司、日本H菱電氣公司、美國摩巧羅拉公司W(wǎng)及 荷蘭飛利浦等公司在2000年10月共同提出設(shè)計研究開發(fā)的具有低成本、體積小、能量消耗 小的無線通信技術(shù)。
[0004]Zi濁ee網(wǎng)絡(luò)主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓 撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。Zi濁ee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator)、路由 器（Router)、終端節(jié)點巧n曲evice)等H種角色。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為；Zigbee作為 一種短距離無線通信技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)可W便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強的可應(yīng)用性。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，在水文水利、 智能家居、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)等場所都能發(fā)揮很大的作用，它能利用相應(yīng)傳感器實時準(zhǔn)確的 自動化采集數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳輸，與遠程監(jiān)控平臺建立通信，方便遠程監(jiān)控平臺來監(jiān)測和 控制整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是一個由可最多可達65000個無線數(shù)傳模塊（俗稱節(jié)點） 組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，各節(jié)點都被分配了固定的IP地址，每一個Zi濁ee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 之間可W相互通信，Zi濁ee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可W作為監(jiān)控對象，其所連接的傳感器直接 進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可W自動中轉(zhuǎn)其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)。
[0005]Zigbee網(wǎng)絡(luò)一般采用樹型狀和星型狀來組網(wǎng)，因其自身工作于2. 4GHz頻段，相對 于其它中低頻段信號，具有穿透能力強，繞射能力差，氣候惡劣時無線通信信號衰減大等特 點，在小范圍、通信短距離的室內(nèi)場所能發(fā)揮重大作用，但是在戶外環(huán)境下，環(huán)境變幻莫測、 中遠距離傳輸時隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加和中轉(zhuǎn)次數(shù)增多，數(shù)據(jù)傳輸時延會大大增加，無 線信號衰減會大大增大，該種情況下Zigbee自組網(wǎng)的特點便無法發(fā)揮出來。
[0006] 故針對上述問題，有必要設(shè)計一款新的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備來彌補上述缺 陷。 實用新型內(nèi)容
[0007] 本實用新型提出一種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，該設(shè)備將主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的 傳感節(jié)點器件上，該類傳感節(jié)點的通訊特點是傳輸速率不高，并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r很少。使 用本實用新型結(jié)構(gòu)，能解決現(xiàn)有技術(shù)中Zigbee自組網(wǎng)的傳輸距離過短的問題。
[0008] 本實用新型的技術(shù)方案是該樣實現(xiàn)的：提供一種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，該 Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備包括第一本地振蕩器W及依次連接的Zigbee芯片、第一混頻器、 第一中頻濾波器、功率放大器、LC匹配器W及中頻天線，第一本地振蕩器連接第一混頻器。
[0009] 進一步，Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備進一步包括射頻開關(guān)，射頻開關(guān)設(shè)置于LC匹配 器W及中頻天線之間，射頻開關(guān)一端連接中頻天線，另一端選擇性連接LC匹配器。
[0010] 進一步，Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備進一步包括第二本地振蕩器、連接Zigbee芯片 的射頻濾波器、連接射頻濾波器的第二混頻器、連接第二混頻器的低噪聲放大器、連接低噪 聲放大器的第二中頻濾波器，射頻開關(guān)的另一端進一步在LC匹配器與第二中頻濾波器中 選擇性連接，第二本地振蕩器連接第二混頻器。
[0011] 進一步，Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備進一步包括連接上述各部件的電源系統(tǒng)。
[0012] 進一步，電源系統(tǒng)包括依次連接的太陽能板充電器、蓄電池W及系統(tǒng)電源。
[0013] 通過上述方式，本實用新型的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備中將Zigbee芯片的高 頻傳輸模式改成了中頻傳輸，因此信號的傳遞距離變遠，跨越障礙的能力變強，又保存了 Zigbee自組網(wǎng)的優(yōu)點，是針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，傳感器數(shù)據(jù)低傳輸速率，低并發(fā)情況下的一種 中短途信號傳輸效果優(yōu)秀的設(shè)備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提 下，還可W根據(jù)該些附圖獲得其他的附圖。
[0015] 圖1是本實用新型一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是Zigbee變頻模塊的頻率變換圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的 實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下 所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0018] 參照圖1，本實用新型一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實施例中。Zigbee變頻 無線傳輸設(shè)備10包括第一本地振蕩器112W及依次連接的Zigbee芯片110、第一混頻器 111、第一中頻濾波器113、功率放大器114、LC匹配器115、射頻開關(guān)116、第二本地振蕩器 120、射頻濾波器118、第二混頻器119、低噪聲放大器121、第二中頻濾波器122W及中頻天 線 117。
[0019] 第一本地振蕩器112連接第一混頻器111。射頻開關(guān)116設(shè)置于LC匹配器115W 及中頻天線117之間。射頻開關(guān)116 -端連接中頻天線117,另一端選擇性連接LC匹配器 115。
[0020] 射頻濾波器118連接Zigbee芯片110,第二混頻器119連接射頻濾波器118、低噪 聲放大器121連接第二混頻器119,第二中頻濾波器122連接低噪聲放大器121。射頻開關(guān) 116的另一端進一步在LC匹配器115與第二中頻濾波器122中選擇性連接。第二本地振蕩 器120連接第二混頻器119。
[0021] 在本實施例中，Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備10還包括連接上述各部件的電源系統(tǒng) 20。電源系統(tǒng)包括依次連接的太陽能板充電器、蓄電池W及系統(tǒng)電源。
[0022] 其中，太陽能板充電器給蓄電池充電，蓄電池輸出電壓經(jīng)系統(tǒng)電源電壓轉(zhuǎn)換電路 變成所需要的電源電壓，供低噪放、功放等電路使用。
[0023] 通過上述部件，可使Zigbee芯片110的信號實現(xiàn)中頻傳輸，因此信號的傳遞距離 變遠，跨越障礙的能力變強。本申請僅保護上述結(jié)構(gòu)，并不包含軟件部分。
[0024] 本實用新型在運用Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了中頻概念并實用，運用了 中頻信號空間傳輸繞射能力強，傳輸距離遠的特點，將Zigbee信號轉(zhuǎn)換成中頻信號來傳 輸，從根本上克服了Zigbee無線傳輸距離短、繞射能力差的缺點。具體實現(xiàn)步驟如下：發(fā)射 端：將Zigbee芯片110發(fā)射端產(chǎn)生的2. 4GHz信號跟運用了鎖相環(huán)（PLL)技術(shù)的第一本地 振蕩器112輸出的2GHz左右信號用第一混頻器111進行變頻，變頻到中頻信號315MHz。經(jīng) 過第一中頻濾波器113濾掉變頻過程中產(chǎn)生的鏡頻信號、半中頻信號、諧波信號及可能帶 來的無用雜波信號。然后，再經(jīng)過功率放大器114將中頻信號放大到指定功率，經(jīng)過LC匹 配器115 (或使用LC濾波器）來濾除雜波及匹配前后級。再經(jīng)過射頻開關(guān)116,使其導(dǎo)向發(fā) 射端，經(jīng)過中頻天線117將中頻信號發(fā)射到自由空間。接收端；通過中頻天線117來接收自 由空間無線傳輸進來的中頻信號。射頻開關(guān)116導(dǎo)向接收端，經(jīng)過第二中頻濾波器122來 濾除中頻天線117引進的無用雜波信號，再經(jīng)過低噪聲放大器121來降低接收端噪聲系數(shù) (NF)，同時提供足夠的增益來優(yōu)化后級噪聲，同時驅(qū)動后級器件正常運行，再與第二本地振 蕩器120通過第二混頻器119進行變頻，上變頻到2.4細(xì)ZZigbee信號。然后，再經(jīng)過射頻 濾波器118濾掉變頻過程中產(chǎn)生的鏡頻信號、半中頻信號、諧波信號及可能帶來的無用雜 波信號，再將2. 4細(xì)ZZigbee信號輸入給Zigbee芯片110進行運算和處理。
[00巧]參閱圖2,圖2是Zigbee變頻模塊的頻率變換圖。
[0026] Zigbee芯片110的使用頻率為F1 = 2405MHz巧(k-ll)MHz，共16個信道，k是 11-26的取值；因要求輸出中頻為定頻信號315MHz，所W本地振蕩器也要隨之改變，本地振 蕩器的輸出頻率為巧=2090MHz巧化-ll)MHz，共16個信道，k是11-26的取值，具體輸出 頻率視現(xiàn)場無線環(huán)境來調(diào)節(jié)。鎖相環(huán)，是由集成了R分頻器、鑒相器、壓控振蕩器、N分頻器 和環(huán)路濾波器組成，參考晶振采取外置。本地振蕩器采用了鎖相環(huán)（PLL)技術(shù)，鎖相環(huán)是一 種反饋控制電路，其特點是利用外部輸入的參考晶振信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和 相位，鎖相環(huán)可W實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。鎖相環(huán)在工作的過程中， 當(dāng)輸出信號的頻率反饋分頻后和輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的 相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住。鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它 的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成U1電壓信 號輸出，該信號經(jīng)過低通濾波器后形成壓控振蕩器的控制電壓U2,對振蕩器輸出信號的頻 率實施控制，最終的目的就是保證輸出信號的穩(wěn)定性，頻率無偏差。參考晶振頻率定義為 REFin，鑒相頻率定義為Fa,VC0輸出頻率定義為訊，R分頻器和N分頻器，它們之間的關(guān)系 是： R撲-inF,。
[0027]下寸f。。
[0028] 外置晶振的選取，需從頻率穩(wěn)定度和相位噪聲問題來考慮，溫度補償晶體振蕩器 (TCX0)的頻率穩(wěn)定度可W做到0.Ippm?5卵m，價格便宜；恒溫控制晶體振蕩器（0CX0)的 頻率穩(wěn)定度可W做到0.OOOSppm?0.Olppm，價格貴?？蒞根據(jù)需求選擇不用型號。因相位 噪聲跟N分頻器有關(guān)系，N值越大，相噪越差，所W為了保證本振相噪小，選取頻率較高的晶 振，我們該里選擇lOMHz。R分頻器的取值選擇跟本振相噪也有關(guān)系，式子 REFinF,。
[0029] -二^二F。 巧N
[0030] 中，化鑒相頻率為環(huán)路濾波器（LP巧帶寬的10倍到20倍，選擇合適的LPF帶寬 最大程度的改善相位噪聲，化取值也能相應(yīng)確定，例如如果LPF取值50KHZ，本振相噪很低， 該時化可W取值IMHz，而REFin為lOMHz，所WR分頻器取值為10,VC0輸出頻率訊輸出 為一個定值后，如為2090MHz，該時N分頻器取值為2090 ;相噪最優(yōu)情況下，式子中只有訊 和N改變，F(xiàn)a、REFin、R取值是一定的。
[0031]Zigbee芯片110優(yōu)選為TI公司的CC2530,它的硬件平臺能完美支持ZigbeePro 協(xié)議找。CC2530的TXout最大為4. 5地m，經(jīng)過TX混頻器混頻有-7. 5地的變頻增益損 耗，經(jīng)過中頻濾波器有-2地的差損，經(jīng)過增益放大管有22地的增益放大，經(jīng)過電阻n衰 有-5地的差損，經(jīng)過功率放大管有19地的增益放大，經(jīng)過低通濾波器有-1地的差損，最 后發(fā)射端的輸出功率為30地m;接收端因CC2530的RXin接收靈敏度為-97地m，我們設(shè) 計的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備接收靈敏度為-101. 5地m，具體實現(xiàn)為：中頻天線接入最 低-101. 5地m的中頻信號，經(jīng)過低噪聲放大管有16地的增益放大，經(jīng)過射頻濾波器有-2地 的差損，經(jīng)過RX混頻器混頻有-7. 5地的變頻增益損耗，經(jīng)過中頻濾波器有-2地的差損，接 入CC2530的RXin正好-97地m。發(fā)射端，將CC2530最大發(fā)射功率由4. 5地m提高到30地m; 接收端，將CC2530的接收靈敏度有-97地m提高為-101. 5地m。因接受靈敏度計算公式；S =-174地m+10*log炬W)+mVN0+NF。其中-174地m是常數(shù)，是由lOlgKT的來，K為波爾茲曼 常數(shù)K= 1. 38X10-23J/K;T為信源絕對溫度T= 290K，BW為等效噪聲帶寬，Eb/NO為解調(diào) 口限載噪比，NF為噪聲系數(shù)。
[0032] 在等效噪聲帶寬和解調(diào)口限載噪比都一定的情況下，決定接收靈敏度的就是噪聲 系數(shù)，所W如何選取低噪聲放大器至關(guān)重要。在無線通信行業(yè)，外界的白噪聲是-121地m， 是一種理想化噪聲，而現(xiàn)實環(huán)境中，因為存在模塊內(nèi)部的熱噪聲，晶體管在工作時產(chǎn)生的 散粒噪聲，模塊內(nèi)部信號與噪聲產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，外接干擾信號混入有用信號產(chǎn)生的互調(diào) 產(chǎn)物等噪聲，模塊接收靈敏度會受到影響，Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備接收靈敏度可W做 到-101. 5 地m。
[0033] 通過上述方式，本實用新型的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備中將Zigbee芯片的高 頻傳輸模式改成了中頻傳輸，因此信號的傳遞距離變遠，跨越障礙的能力變強，又保存了 Zigbee自組網(wǎng)的優(yōu)點，是一種中短途信號傳輸效果優(yōu)秀的設(shè)備。
[0034]W上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用W限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型 的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，其特征在于，所述Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備包括第 一本地振蕩器以及依次連接的Zigbee芯片、第一混頻器、第一中頻濾波器、功率放大器、LC 匹配器以及中頻天線，所述第一本地振蕩器連接所述第一混頻器。
2. 如權(quán)利要求1所述的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，其特征在于，所述Zigbee變頻無線 傳輸設(shè)備進一步包括射頻開關(guān)，所述射頻開關(guān)設(shè)置于所述LC匹配器以及所述中頻天線之 間，所述射頻開關(guān)一端連接所述中頻天線，另一端選擇性連接所述LC匹配器。
3. 如權(quán)利要求2所述的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，其特征在于，所述Zigbee變頻無線 傳輸設(shè)備進一步包括第二本地振蕩器、連接所述Zigbee芯片的射頻濾波器、連接所述射頻 濾波器的第二混頻器、連接所述第二混頻器的低噪聲放大器、連接所述低噪聲放大器的第 二中頻濾波器，所述射頻開關(guān)的另一端進一步在所述LC匹配器與所述第二中頻濾波器中 選擇性連接，所述第二本地振蕩器連接所述第二混頻器。
4. 如權(quán)利要求3所述的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，其特征在于，所述Zigbee變頻無線 傳輸設(shè)備進一步包括連接上述各部件的電源系統(tǒng)。
5. 如權(quán)利要求4所述的Zigbee變頻無線傳輸設(shè)備，其特征在于，所述電源系統(tǒng)包括依 次連接的太陽能板充電器、蓄電池以及系統(tǒng)電源。
【文檔編號】H04W88/02GK204180279SQ201420484546
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】李喆, 譚德寶, 鄧佩剛, 楊政, 申郡洪, 張穗, 陳蓓青, 文雄飛, 向大亨 申請人:長江水利委員會長江科學(xué)院, 武漢瑞芯科微電子技術(shù)有限公司