ZigBee技术在输油管泄漏监测系统中的应用研究

根据以上特点，并经过分析比较，我们最终选用了CC2420这款性能卓越的射频芯片。CC2420是Chipcon公司生产的2.4GHz射频芯片，符合IEEE 802.15.4标准，传输速率最大250kb/s，采用具有内嵌闪存的0.18μm CMOS标准技术，最低功耗不到1μA，体积小，外形尺寸只有7mm×7mm。

CC2420应用电路如图3所示，主要包括电源去耦电路、晶振电路和天线匹配电路。由于RF芯片对电源的噪声非常敏感，恰当有效的电源去耦电路能很好的抑制噪声，提高可靠性，因而靠近VDD和1.8V电源引脚配置了去耦电容C27～C37。晶振电路给内部操作提供必要的时序，本设计配置了16MHz晶振，匹配电容C41和C42的值均为27pF。对于射频电路，天线的性能直接决定了能否正常进行无线通信，根据CC2420天线选择指南，综合考虑成本、性能和适用环境，本设计选用的是2.4GHz差分天线。这种天线直接做在PCB板上，适用于低功耗设计，成本低，占空间小，形状如图6所示，电感L1和L2用来平衡射频端口与PCB天线之间的阻抗。CC2420通过SPI接口和STM8S105C6T6单片机进行通信。

图3 CC2420应用电路

2 电路抗干扰设计
由于是高频电路，器件的相互干扰变得尤为敏感，为保证系统长期稳定、可靠的运行，建议在电路设计中采取以下措施：

● 采用四层PCB板，顶层主要走信号线，顶层下面依次是地平面层、电源平面层和底层，为防止高频信号的辐射和串扰，应尽量缩小信号回路面积，同时采用多点接地，降低接地阻抗；

● CC2420芯片底部必须采用少量过孔与地相连，保证芯片体可靠接地；

● 去耦电容必须尽可能靠近3V和1.8V电源引脚，并且电容接地端通过过孔就近接地，去耦电容的充放电作用使集成芯片得到的供电电压比较平稳，减少了电压振荡现象；

● 芯片外围器件的体积应尽可能的小，建议使用0402规格的阻容器件；

● 将CC2420和STM8S105C6T6未用的信号输入引脚通过一个10kΩ电阻上拉到高电平或下拉到低电平，因为开路的输入端有很高的输入阻抗，很容易受外界的电磁干扰，使悬浮电平有时处于‘1’，有时处于‘1’到‘0’的过渡状态，易引起逻辑电路的误导通。

监测网络软件设计
由于监测节点供电的有限性，节能是监测网络软件设计时重点考虑的问题。

1 帧格式定义
为降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格式，而是对其进行了简化，降低了数据帧的长度，如表1所示。前导码和帧起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于标志一帧数据的开始和结束。数据帧发送时，CC2420自动在数据包的开始处加上前导码和SFD，在数据包末尾自动加上CRC校验码（即帧检查序列）。接收时，当CC2420检测到前导码和SFD时开始接收帧长度以及后面的数据。帧长度为源地址、目的地址、负载和帧检查序列的总字节数，这里为0x07。在ZigBee网络中，每个节点设备都有唯一的地址，发送者为源地址，接收者为目的地址。

2 电源管理
为提高监测系统的使用寿命，本设计采用了一种定更巡回监测工作方式，具体过程如下：通过内部时钟的定时同步，监测网络中的所有节点在工作周期和休眠周期之间循环轮转。当工作周期一到，监测节点先对自己所在位置的压力和流量进行检测并暂存在缓冲区中，然后关闭传感器电源，接着打开CC2420的电源进行数据帧的封装和收发。若工作周期没有结束，监测节点就自动进行下一次的数据检测和收发。当工作周期结束，监测节点就关闭CC2420的电源，进入休眠周期，主程序流程图4所示。