基于JN5169 的ZigBee 通用終端節(jié)點設計

李洪義

（西安外事學院，陜西西安 710077）

物聯(lián)網(wǎng)技術[1]的飛速發(fā)展為實現(xiàn)各行各業(yè)的自動化提供了強大的支持。在高壓輸電線路的智能化運行和維護、室內(nèi)用電設備和環(huán)境監(jiān)控的組網(wǎng)遠程控制、礦山智能化監(jiān)測以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化監(jiān)測等各行業(yè)應用中[2-8]，如何安全、快速、有效地將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤樱⒔邮諔脤拥目刂浦噶睿菍崿F(xiàn)智能化控制的重要一環(huán)。

目前，在物聯(lián)網(wǎng)應用工程中，主要的數(shù)據(jù)傳輸方式 有BlueTooth 組 網(wǎng)、WIFI 組 網(wǎng)、SimpliciTI 組 網(wǎng)、ZigBee組網(wǎng)等[9-10]。其中，ZigBee組網(wǎng)技術是近年來廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)工程中的新型技術，具有功耗低、延時短、自組網(wǎng)、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)勢，非常適合短距離無線組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)組網(wǎng)設備的遠距控制[11-13]。在ZigBee 組網(wǎng)中，主要涉及到協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。其中，協(xié)調(diào)節(jié)點負責整個網(wǎng)絡的構(gòu)建，也作為連接其他不同類型網(wǎng)絡的通信節(jié)點，稱之為網(wǎng)關；路由節(jié)點通過對網(wǎng)絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸；該節(jié)點可以當終端節(jié)點來使用，也可以連接到其他的路由節(jié)點和終端節(jié)點；而終端節(jié)點就是整個網(wǎng)絡的最后一個點，負責執(zhí)行具體的數(shù)據(jù)采集及傳輸，不能連接到其他節(jié)點[14-15]。終端節(jié)點是ZigBee網(wǎng)絡中應用量最大的節(jié)點。

該文采用NXP（恩智浦）公司的JN5169芯片來實現(xiàn)終端節(jié)點的通信和控制功能，極大地簡化了設計難度和復雜度，該解決方案可使用戶在最短的時間內(nèi)完成終端節(jié)點產(chǎn)品設計，以極低的成本實現(xiàn)ZigBee 組網(wǎng)。

1 JN5169芯片簡介

JN5169 是NXP（恩智浦）公司出品的一款小巧緊湊、超低功耗、高性能的無線微控制器芯片，支持IEEE 802.15.4 標準，適用于ZigBee 組網(wǎng)應用。

1.1 微控制器特性

JN5169 的內(nèi)部微控制器為32 位RISC 結(jié)構(gòu)的微控制器，通過采用不同寬度指令、多級指令流水線和可編程時鐘速率等技術，提供了較高的編碼效率和超低功耗操作。具有512 kB 嵌入式閃存、32 kB RAM和4 kB EEPROM 存儲器，無需外部存儲器即可進行OTA 升級。

該微控制器還包含：①雙線I2C 總線，可編程為主或從設備；②SPI 總線，可編程為主或從設備；③5 路PWM 接口；④2 路UART 接 口；⑤6 路10 bit ADC 接口；⑥最多可達20 個數(shù)字輸入輸出口（DIO）；⑦電池和溫度傳感器；⑧看門狗和電源電壓監(jiān)控。

1.2 無線通信特性

JN5169 的內(nèi)部包含符合IEEE802.15.4 協(xié)議標準的2.4 GHz 收發(fā)器，用戶無需關心該協(xié)議的具體內(nèi)容即可實現(xiàn)ZigBee 組網(wǎng)通信；還包含豐富的模擬和數(shù)字外設，可使用戶以簡單的外部連接和極低的花費完成硬件設計。

1.3 內(nèi)部原理

JN5169 內(nèi)部原理方框圖如圖1 所示。

圖1 JN5169內(nèi)部原理方框圖

該芯片包含一個32 位RISC 結(jié)構(gòu)的微控制器，以及512 kB 嵌入式FLASH 存儲器、32 kB RAM 和4 kB EEPROM 內(nèi)存；一個兼容2.4 GHz IEEE802.15.4 的無線收發(fā)器；電源管理模塊；看門狗定時器模塊；還包含模擬和數(shù)字外圍部件。

2 終端節(jié)點硬件設計

2.1 電源電路

為使設備正常工作，需正確配置電源。

JN5169第9腳是模擬部件電源管腳VDDA，第30腳是數(shù)字部件電源管腳VDDD，由這兩個引腳為JN5169供電。

配置圖分別如圖2 和圖3 所示。每個引腳連接電源VDD，并連接一個100 nF 的陶瓷電容器到地，用于去耦。模擬電源VDDA還需要一個普通的10 μF 鉭電容器，用于低頻去耦。

圖2 模擬電源配置

圖3 數(shù)字電源配置

內(nèi)部1.8 V 調(diào)壓器的外部元件連接如圖4 所示，共有5 個引腳需要配置對地去耦電容。

圖4 調(diào)壓器外部元件連接圖

第6 引腳VB_SYNTH 和 第35 引腳VB_DIG 只 需連接一個100 nF 的電容到地；第14 引腳VB_RF1 和第12 引腳VB_RF2 需要連接一個100 nF 的電容和一個47 pF 的電容到地；第8 引腳VB_VCO 需要連接一個10 nF 的電容到地。所有外接元件應盡可能靠近芯片連接在一起。

2.2 復位電路

JN5169 包含5 個復位源：①內(nèi)部上電復位/欠壓復位（BOR）；②外部復位復位；③軟件重置復位；④看門狗定時器復位；⑤電源電壓檢測復位。

該設計采用內(nèi)部上電復位/欠壓復位（BOR）方式，該方式無需外部元件，簡化了硬件設計。

當設備通電時，上電復位電路監(jiān)控VDD電源的電壓上升。當VDD達到指定閾值時產(chǎn)生復位信號，如圖5所示。

圖5 內(nèi)部上電復位波形圖

BOR 電路能夠防止VDD的尖峰干擾，避免錯誤觸發(fā)。

2.3 晶體振蕩器電路

JN5169 包含晶體振蕩器所需的片上組件，外部僅需晶體和兩個電容即可構(gòu)成振蕩器。

該設計采用32 MHz晶體，配合兩個12 pF電容構(gòu)成振蕩器。在管腳XTAL_IN 和XTAL_OUT 之間連接晶體，每個管腳通過電容接地，電路如圖6 所示。

圖6 晶體振蕩器電路

電容應選C0G 陶瓷電容，在設計印刷電路板時，電容和石英晶體應盡量靠近芯片，連線應盡可能短。

2.4 射頻電路

在實際應用中，經(jīng)常采用單端天線，JN5169 芯片需要在外圍配置一個射頻匹配網(wǎng)絡來連接單端天線。射頻匹配網(wǎng)絡只需要兩個電容器和兩個電感器；另外，在IBIAS 和地之間需要一個外部電阻，用于配置射頻電路的各種偏置電流。這些元件非常關鍵，設計印刷電路板時，應盡可能靠近JN5169 引腳和地。電路如圖7 所示。

圖7 射頻匹配網(wǎng)絡電路

2.5 終端節(jié)點電路

完整的終端節(jié)點硬件設計電路如圖8 所示。

圖8 終端節(jié)點硬件設計電路

需要說明的是，該文旨在介紹通用ZigBee終端節(jié)點設計，主要涉及到微控制器和數(shù)據(jù)傳輸部分，關于數(shù)據(jù)采集電路和受控電路可根據(jù)實際應用情況，采用文獻[16-19]中介紹的各種電路，不再贅述。

3 終端節(jié)點軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C 語言編制。為方便軟件編寫、調(diào)試和管理，采用模塊式結(jié)構(gòu)，主要包括主程序模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3.1 主程序模塊

主程序模塊完成端點硬件的初始化、啟動MAC、加入網(wǎng)絡和保存網(wǎng)絡參數(shù)等工作。其流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要完成節(jié)點數(shù)據(jù)上傳，以及接收路由節(jié)點的數(shù)據(jù)。其流程圖如圖10 所示。

圖10 數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

由于JN5169 內(nèi)部包含符合IEEE 802.15.4 協(xié)議標準的2.4 GHz 收發(fā)器，用戶只需調(diào)用相應的操作函數(shù)即可完成數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)論

該文所設計的通用ZigBee 終端節(jié)點具有較強的綜合性和開放性，適合單片機控制、無線通信、ZigBee 網(wǎng)絡等方面的層次化、創(chuàng)新性應用，極大地簡化了產(chǎn)品的設計難度和復雜度，可使用戶在最短的時間內(nèi)完成ZigBee 組網(wǎng)應用中的終端節(jié)點產(chǎn)品設計，以極低的成本實現(xiàn)ZigBee 組網(wǎng)。