Zigbee技术在α测氡仪中的应用

　　α测氡仪被广泛地应用在民用环境和土壤氡水平监测评价、工程地质勘探和核工业部门环境氡监测等科学领域中。但在实际的仪器操作中,传统的α测氡仪需要工作人员对仪器实时看护,这样不可避免地会造成对人的辐射和吸入性的内照射,对身体健康造成很大危害。此外,α测氡仪常用于野外工作,硬件组成之间必须通过烦琐的信号线连接,这给野外工作带来不便,在地形复杂的区域还需要较大的网络覆盖。[1-2]为了解决这些存在的问题,在对比了蓝牙、Wi-Fi、IrDA、NFC、UWB等当前主流近距离无线通信技术后,设计了将Zigbee技术应用于α测氡仪的方案。

　　1　系统结构

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。[3]为了降低系统成本, IEEE定义了两种物理设备:全功能设备( FFD)和简约功能设备(RFD)。FFD支持各种拓扑结构,可以作为网络协调器,可以与任何其它设备对话;RFD仅支持星型结构,不能作为网络协调器,只能与网络协调器对话,但是实现非常简单。Zigbee支持多种网络拓扑结构,一般分为三种:星型结构(Star)、簇状结构(Clustertree)和网状结构(Mesh),如图1所示。其中簇状结构和网状结构都是属于点对点(peer-to-peer)的拓扑结构,它们是点对点拓扑结构的复杂化的形式。[4]

　　1·1　硬件结构

　　内嵌Zigbee芯片的系统硬件应用设计如图2。

　　关于目前Zigbee射频芯片,已有多家厂商提供,包括德州仪器(TI)公司的TI/Chipcon、Ember(ST)、Jennic(捷力)、Freescale及Mi-crochip等。基于硬件成本、研发周期及现有产品转型方便的需要,本系统选择单芯片集成SoC方案,选用带增强型8051内核的CC2430。

　　CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以Zigbee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上集成了Zigbee射频(RF)前端、内存和微

　　控制器。它使用一个8位增强型8051控制器,具有128kB可编程闪存和8kB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Tim-er)、AES-128安全协处理器、看门狗定时器(Watchdog-timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection),以及21个可编程I/O引脚。

　　CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA,在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。[5]这就给野外作业带来了很大的方便。