一種Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊及其低功耗控制方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可應用于單火線供電、電池供電等超低功耗的無線物聯(lián)網(wǎng)設備及其低功耗控制方法，尤其涉及一種Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊及其低功耗控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線網(wǎng)絡具有免連接線、安裝位置不受空間限制等優(yōu)點，但無線網(wǎng)絡的可靠性依賴于供電方式、抗干擾能力等因素，特別是野外無線傳感網(wǎng)絡、電池供電的近場無線系統(tǒng)、智能家居中采用單火線取電技術(shù)作為電子系統(tǒng)供電方式的設備等，如單火線開關、智能家居中采用電池供電的門磁、門鈴、RF遙控器、RFID卡、無線智能系統(tǒng)的主控模塊等。系統(tǒng)功耗大其電池續(xù)航能力差導致無線網(wǎng)絡壽命縮短;在單火線工作的電子系統(tǒng)中，由于電子系統(tǒng)和負載串聯(lián)，功耗大則流經(jīng)負載的電流大，容易引起負載的誤動作，如單火線開關中功耗大引起負載LED燈的爆閃、熒光燈微亮等現(xiàn)象。因此大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須采用超低功耗設計。作為無線物聯(lián)網(wǎng)的核心模塊，其超低功耗電路和控制軟件的設計是整個系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]現(xiàn)有Zigbee模塊普遍采用Zigbee通用協(xié)議棧進行無線組網(wǎng)和網(wǎng)絡通信，工作和待機時均存在功耗過大，導致無線網(wǎng)絡壽命短、控制誤動作增加、單火線開關控制的LED燈出現(xiàn)爆閃、熒光燈微亮等現(xiàn)象。因此，物聯(lián)網(wǎng)主控模塊必須在硬件和組網(wǎng)以及通信協(xié)議的軟件設計上進行超低功耗設計，才能滿足上述應用場景主控模塊的需求。
[0004]針對現(xiàn)有Zigbee模塊設計中存在功耗過大的軟硬件問題，本發(fā)明提出一種低功耗218&66物聯(lián)網(wǎng)模塊，包括主芯片，天線、匹配網(wǎng)絡(1^1、(:12、(:13)、巴倫平衡電路(021工22、〇23丄24工25、1^丄4)、接收端口(1^_?)及發(fā)射端口(1^_~);其中，巴倫平衡電路(021工22、C23、C24、C25、L3、L4)連接接收端口(RF_P)及發(fā)射端口(RF_N);天線、匹配網(wǎng)絡(L1、C12、Cl3)、巴倫平衡電路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)順序串聯(lián)連接;接收數(shù)據(jù)通過天線、匹配網(wǎng)絡仏1、(:12、(:13)、巴倫平衡電路(021丄22丄23丄24丄25、1^、1^)，連接到接收端口(1^_P)；發(fā)射數(shù)據(jù)通過發(fā)射端口(RF_N)、巴倫平衡電路(C21、C22、C23、C24、C25、L3、L4)、匹配網(wǎng)絡(L1、C12、C13)，饋送到天線進行發(fā)射。
[0005]其中，接收端口(RF_P)及發(fā)射端口(RF_N)耦合至主芯片的輸入輸出引腳。
[0006]其中，所述模塊的工作頻段為2394MHz-2507MHz，接收靈敏度為-97dbm，使用速率為250kbps，工作溫度為-20°C?+85°C，電源電壓為DC+2.0V?+3.6V，瞬間最大發(fā)射工作電流為30mA，瞬間最大接收工作電流為24mA;所述模塊的輸出功率可調(diào);所述模塊使用的空曠最大距離為200m。
[0007]其中，所述模塊的待機電流為:若使用于單火線開關類產(chǎn)品，接收端待機電流〈ImA;若使用于遙控器，門磁、RFID卡，接收端待機電流<2μΑ。
[0008]其中，所述模塊采用低功耗的控制方式:提高通信速率以縮短通信時間，每幀使用時間不到5mS;主芯片設置為睡眠模式，并設置為RF模塊觸發(fā)喚醒的工作方式;設置RF模塊按一定比例執(zhí)行休眠與工作，即RF模塊用不到10%的時間用于掃描RF模塊是否接收到數(shù)據(jù)，如果沒有接收到有效數(shù)據(jù)則RF進入休眠模式，減少工作電流；當收到有效數(shù)據(jù)時，自動喚醒主芯片處理，待處理完后主芯片自動進入睡眠模式。
[0009 ]本發(fā)明還提出一種Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊的低功耗控制方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1:初始化物聯(lián)網(wǎng)模塊中的單片機的時鐘系統(tǒng)，將主芯片的1引腳設置為高阻態(tài)；
[0011]步驟2:設置主芯片的RF參數(shù)，設置主芯片的Zigbee協(xié)議棧參數(shù)，設置主芯片的低功耗休眠定時器；
[0012]步驟3:啟動Zigbee協(xié)議桟；
[0013]步驟4:根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)模塊系統(tǒng)當前需求重新設定休眠定時器定時時間，休眠定時器開始工作；
[0014]步驟5:物聯(lián)網(wǎng)模塊的單片機進行低功耗休眠并等待休眠周期時間到達；
[0015]步驟6:當休眠時間到時，休眠定時器中斷服務程序，喚醒物聯(lián)網(wǎng)模塊的單片機；
[0016]步驟7:物聯(lián)網(wǎng)模塊向父節(jié)點查詢是否有發(fā)送給自己的數(shù)據(jù);如果有發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)，則進入步驟8;如果沒有發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)，則返回步驟4;
[0017]步驟8:物聯(lián)網(wǎng)模塊等待父節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己；
[0018]步驟9:物聯(lián)網(wǎng)模塊接收并處理數(shù)據(jù)，然后返回步驟4;
[0019]其中，Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊的主芯片設置為睡眠狀態(tài)，并設置為RF前端觸發(fā)喚醒的工作方式;設置RF前端按一定比例方式執(zhí)行休眠與工作，即RF用不到10%的時間用于掃描RF是否接收到數(shù)據(jù);如果沒有接收到有效數(shù)據(jù)則RF前端進入休眠模式，減少工作電流;當收到有效數(shù)據(jù)時，自動喚醒主芯片處理，待處理完后主芯片自動進入睡眠模式。
[0020]其中，物聯(lián)網(wǎng)模塊提高通信速率以縮短通信時間，每幀使用時間不到5mS。
[0021]其中，當所述物聯(lián)網(wǎng)模塊僅使用單向工作時，則進入深度睡眠。
[0022]本發(fā)明提出的Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊，在待機和工作電流上明顯小于目前Zigbee模塊，可滿足單火線開關、智能家居中采用電池供電的門磁、門鈴、RF遙控器、RFID卡等無線智能系統(tǒng)的主控模塊的應用要求，可應用于單火線供電、電池供電的無線物聯(lián)網(wǎng)場景，滿足其超低功耗的要求。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊的引腳圖；
[0024]圖2為本發(fā)明Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊RF前端的外圍電路圖；
[0025]圖3為本發(fā)明Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊的低功耗控制流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細說明。
[0027]如圖1所示為本發(fā)明Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊的引腳設計圖。本發(fā)明的Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊采用CC2530芯片作為Zigbee CPU主芯片進行電路設計。
[0028]如圖2所示為Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊射頻RF前端的外圍電路圖，包括天線、匹配網(wǎng)絡仏1、(:12、(:13)、巴倫平衡電路(021、022丄23丄24丄25、1^、1^)、接收端口(1^_?)及發(fā)射端口(RF_N);接收端口(RF_P)及發(fā)射端口(RF_N)分別耦合至主芯片的輸入和輸出引腳。本實施例中，天線可以采用2.4G Hz PCB(印刷電路板，Printed Circuit Board)天線，主芯片可以采用CC2530芯片。
[0029]巴倫平衡電路(021工22、023工24工25、1^3、1^4)連接接收端口(1^_?)及發(fā)射端口(RF_N)；
[0030]天線、匹配網(wǎng)絡仏1、(:12、(:13)、巴倫平衡電路(021丄22丄23丄24丄25、1^、1^)順序串聯(lián)連接；
[0031]接收數(shù)據(jù)通過天線、匹配網(wǎng)絡(1^1、(:12、(:13)、巴倫平衡電路(021工22工23工24、C25、L3、L4)，連接到接收端口( RF_P)；
[0032]發(fā)射數(shù)據(jù)通過發(fā)射端口(1^_~)、巴倫平衡電路(021丄22丄23丄24工25、1^3、1^4)、匹配網(wǎng)絡，饋送到天線進行發(fā)射。
[0033]該Zigbee物聯(lián)網(wǎng)模塊的工作參數(shù)為:
[0034]頻段:2394MHz-2507MHz
[0035]輸出功率:+4.0dbm(可調(diào))