IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率。

    2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250KB/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。

    868/915MHz物理層使用簡單的DSSS方法，即二進制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz是歐洲的ISM頻段，傳輸速率為20KB/s；915MHz是美國的ISM頻段，傳輸速率為40KB/s。這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾，且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。

    2.2   IEEE802.15.4技術(shù)的優(yōu)勢及應用

    IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較：

    IEEE802.15.4從一開始就被設計用來構(gòu)建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設備的無線網(wǎng)絡。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢決定的：

    （1）數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10KB/s到250KB/s，專注于低傳輸應用。

    （2）功耗低：在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是IEEE802.15.4/ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。

    （3） 成本低：IEEE802.15.4/ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費。

    （4） 網(wǎng)絡容量大：每個IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個設備。

    （5）時延短：通常時延都在15ms至30ms之間。

    （6） 安全：IEEE802.15.4提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。

    （7） 有效范圍小：有效覆蓋范圍10～100m之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

    （8）工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。

    與之相反，藍牙技術(shù)基本上只是設計作為有線的替代品，經(jīng)常是為手機和附近的耳機或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不用說幾年了；一般情況下，藍牙設備需要人手配置和維護網(wǎng)絡連接；它可以用來有效地處理8個設備（一個主設備和7個從設備），如果更多的話，通訊速率則顯著下降。而IEEE802.11a/g, 也被稱作Wi-Fi，也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。

    由此可見，IEEE802.15.4技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術(shù)本身。相信在不遠的將來，將有越來越多的內(nèi)置式IEEE802.15.4功能的設備進入日常生活，并將極大地改善人們的生活方式和體驗。

3   傳感器節(jié)點設計

    3.1   硬件設計

    （1）MCU芯片。MCU選用P89LV51RD2，是一款80C51微控制器，它其中包含64KB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。P89LV51RD2的典型特性是它的X2方式選項。設計者可通過該特性來選擇應用程序以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率（每個機器周期包含12個時鐘）或X2 方式（每個機器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運行，其中，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半來保持特性不變，這樣可以極大地降低EMI。 Flash程序存儲器支持并行和串行在系統(tǒng)編程（ISP）。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節(jié)省編程花費和推向市場的時間。 

    （2）數(shù)據(jù)采集。對于數(shù)據(jù)采集部分，由于所采集的對象的不同，可能存在采集時的速度，分辨率等有不同的要求，所以在模塊設計中，將采集部分獨立出來，通過標準的RS232接口與MCU芯片進行通訊。

    （3）無線芯片。無線芯片采用內(nèi)置IEEE802.15.4協(xié)議的Freescale 公司生產(chǎn)的MC13192芯片。圖1為MC13192芯片引腳圖。

圖1    MC13192芯片引腳圖

    圖2是典型連接示意圖。

    CE：SPI端口控制線，MCU輸入低電平信號使其有效；

    SPICLK：MCU提供給MC13192時鐘信號，數(shù)據(jù)的輸入輸出開始發(fā)生在SPICLK脈沖的上升沿，在下降沿結(jié)束；

    MOSI：數(shù)據(jù)從主設備（MCU）輸出，進入從設備（MC13192）；

    MISO：數(shù)據(jù)從從設備（MCU）輸出，進入主設備（MC13192）。

圖2    MC13192芯片與MCU連接圖

    3.2   電路設計

    圖3是原理圖及線路板圖。

 

圖3    原理圖及線路板圖

    3.3   無線傳感器節(jié)點測試

圖4    無線傳感器節(jié)點模塊測試

    （1）測試實驗

    利用超級終端軟件對無線傳感器節(jié)點模塊進行必要的通訊測試如圖4所示。
將兩個無線傳感器模塊分別通過RS232接口與計算機連接。對無線模塊的性能進行測試。對RS232接口進行必要的設置（速度38400B/s、數(shù)據(jù)位8、奇偶校檢無、停止位1）

    （2）測試結(jié)果及分析

    ① 無障礙測試結(jié)果如圖5所示。

圖5    無障礙測試時通訊距離與功率關(guān)系圖

    ② 穿墻測試結(jié)果

    這里墻厚為20cm，測試結(jié)果如圖6所示。節(jié)點的接受功率平均降低約-11dBm。

圖6    穿墻測試時通訊距離與功率關(guān)系圖

    ③ 復雜情況下的測試

    在有過多障礙物的情況下，包括穿越幾堵墻和在通訊道路拐角過多的情況下測試，發(fā)現(xiàn)通信質(zhì)量很差，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失和連接失敗的情況。在實際的應用和測試中，為了得到良好的通信效果，應盡量縮短通信距離和保持通信范圍的空曠。另外，可以從天線方面著手進行改進設計，增強靈敏度，從而提高通信質(zhì)量。

4   實際應用

    通過本文中無線傳感器模塊的設計與實際的制作，我們將它們應用于“無線燃氣抄表系統(tǒng)” (圖7)，項目已通過甲方的驗收并得到甲方的好評。

圖7    無線燃氣抄表系統(tǒng)