1 引言

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領域，是為了滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee 是一種用于無線連接的全球標準，標準建立的重點是可靠性、低成本、長電池壽命和容易應用。不僅是簡單的線纜互連的替代方案，而且能在不同ZigBee 設備之間"即連即用"的建立無線網(wǎng)絡，方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、交換，同時具有低功耗、較高數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點。利用Zighee 技術(shù)的低功耗無線傳輸和自組網(wǎng)功能，可以實現(xiàn)"隔離監(jiān)護"、"動態(tài)監(jiān)護".ZigBee 技術(shù)與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，還可以實現(xiàn)"遠程監(jiān)護"、"家庭保健監(jiān)護",是實現(xiàn)無線病房呼叫服務的理想選擇。

2 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)網(wǎng)絡方案是采用的新興的ZigBee 無線技術(shù)，由于ZigBee 提供免費的協(xié)議棧，所以我們在開發(fā)應用程序中使用這些協(xié)議棧提供的底層函數(shù)時不需要額外付費。再加上ZigBee具有網(wǎng)絡容量大可以支持大量的網(wǎng)絡節(jié)點、安全及時延短、使用頻段為2.4GHz 的免執(zhí)照頻段等特點，可以很好的滿足設計的需要。

本研究方案采用MCU 和RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案。其方案優(yōu)點是方案靈活性高，有很好的可擴展性。硬件設計方案選擇為MSP430F4618+CC2420 的雙芯片解決方案。

MSP430FG4618 是具有100 個引腳的16 位超低功耗MCU:

在主動模式下，工作在1MHz 情況下，耗電為400uA;在待機模式下，僅為1.3uA;在RAM 保持關閉模式下，僅為0.22uA.具有5 種節(jié)電模式；從待機狀態(tài)喚醒的時間小于6uS.

它還擁有豐富的片上資源：具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位ADC、雙DAC、DMA、3 個OPAMP和16 段LCD,采用外部8MHz 晶振（時鐘），主要功能是根據(jù)用戶的命令，完成按鍵檢測、液晶顯示以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。它提供兩個雙工串口UART0、UART1,可實現(xiàn)與天線控制器和MODEM 的異步數(shù)據(jù)通信，并可用UART 多串口擴展芯片（SP2338DP）按需要將其擴展至多個較高波特率的UART 串口，由于界面顯示程序占用較大的RAM 和Flash,并且要求較高的運算速率，MSP430FG4618 系列恰能滿足設計要求。

CC2420 是Chipcon 公司（現(xiàn)屬于TI公司）推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4 標準的射頻收發(fā)器[3].該器件是第一款適用于ZigBee 產(chǎn)品的RF 器件。它基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術(shù)，以0.18umCMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。

CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4 標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

系統(tǒng)設計時預留了調(diào)試端口。JTAG 接口用來調(diào)試和下載程序。RS232 串口提供調(diào)試信息輸出并用于與PC 機交互。RF 插座可以插入功能完好的射頻模塊進行調(diào)試，且引出測試點易于測量波形。由于射頻電路不易調(diào)試，出現(xiàn)問題時不容易定位錯誤點。也要先預留調(diào)試接口，可以先試用確保功能正確的獨立RF 模塊調(diào)試電路板基本功能，最后焊接電路板上的RFIC和天線匹配電容、電感，以提高調(diào)試效率。

采用本方案設計的好處是硬件平臺只需要十分少的外部元器件和設備，相應的需要的元器件就成本低，并且該平臺可以穩(wěn)定的運行。

由于便攜終端采用電池供電，同時低功耗也是ZigBee 系統(tǒng)應用成功的關鍵，所以低功耗自然也是本系統(tǒng)設計所追求的目標。為了最大程度地降低系統(tǒng)的功耗，從硬件設計角度考慮，我們在硬件方面采用以低功耗而聞名的TI 公司的MSP430 系列處理器，無線收發(fā)芯片采用毫安級別的CC2420 芯片，兩者組合的硬件平臺在功率消耗方面表現(xiàn)十分出色；從軟件設計角度考慮，也可以利用好MSP340F4618 芯片的節(jié)電模式，根據(jù)需要采用看門狗、中斷以及定時器的方式來喚醒設備進入正常的工作狀態(tài)，其余的時間設備都處在幾乎不消耗電能的睡眠狀態(tài)以降低系統(tǒng)功耗。

3 系統(tǒng)呼叫模塊硬件設計

我們根據(jù)實際的應用需求設計出電路的總體結(jié)構(gòu)，從功能模塊角度劃分可以分為幾個部分：MSP430 模塊、RS232 模塊、顯示模塊，聲光報警和鍵盤模塊。其中射頻芯片采用的是Chipon CC2420,微控制器采用的是TI 公司的MSP430FG4618,輸入設備是按鍵，輸出設備有LED 和液晶顯示芯片，與外界接口有RS232 和JTAG,上述設備可以滿足需要并可支持功能擴展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用電池供電。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1 所示。

MSP430 模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，本文設計的呼叫模塊是由MSP430FG4618 和外圍電路構(gòu)成。

圖3-2 給出了MSP430FG4618 的核心電路，包括JATG 接口、復位電路、電源和時鐘電路。

同時，將沒有用到的芯片引腳引出放置到電路板的邊緣，方便以后需要的時候進行擴展。

為了能夠進行串行調(diào)試，協(xié)調(diào)器節(jié)點和主機通過RS232 接口進行連接，RS232 可以提供多種不同速率的低速通信。RS232 采用負邏輯，即：邏輯"1"為-5V~15V,邏輯"0"為+5V~+15V,噪聲容限為2V.由于RS232 電平與單片機電平不兼容，需要用到電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 將RS232 的負邏輯電平轉(zhuǎn)換成TTL 的正邏輯電平，電路設計如圖3-3 所示。

RS232 模塊與MSP430 通過一組UART 管腳和兩個I/O 引腳P3.4 和P3.5 連接，UART 的TX 和RX 負責RS232 的輸入輸出，P3.4 和P3.5 引腳起控制作用。在設計時在兩個I/O 引腳各加入了1 個LED 燈以方便觀察。

本設計中的模塊和元件只需要一種電壓的直流電源，MSP430FG4618 和MAX3232 都需要+3.3V 直流電源。ETC 公司的AMSlll7 系列穩(wěn)壓器芯片能夠提供1.5V/1.8V/2.5V/2.85V/3.3V/5.0V 穩(wěn)壓直流電壓輸出，本設計選用AMSlll7-3.3 型號來得到+3.3V 電壓。

電源電路設計如圖3-4 所示，開關的引腳1 接外部的電池組，利用0.1uF 的電容和470uF的電解電容并聯(lián)來對電源信號進行退耦濾波處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本設計中聲光報警裝置由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。而鍵盤部分設計為一個3×4 的矩陣鍵盤電路。

4 無線發(fā)射模塊設計

CC2420 內(nèi)部使用1.8V 工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設備；外部數(shù)字I/O接口使用3.3V 電壓，這樣可以保持和3.3V 邏輯期間的兼容性。它在片上集成了一個直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V 電壓轉(zhuǎn)換成1.8V 電壓。

圖4-1 給出了CC2420 外圍電路圖。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。本文采用16MHz 晶振，電容值為22pF.如果使用外部時鐘，直接從XOSC16_Q1 引腳引入，XOSC16_Q2 引腳保持懸空；如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在XOSC16_Q1 和XOSC16_Q2 引腳之間。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時為芯片內(nèi)部的PA 及LNA 提供直流偏置。

CC2420 通過4 線SPI 總線（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式，并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO 和FIFOP 管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器。CC2420 射頻信號的收發(fā)采用差分方式進行傳輸，其最佳差分負載是115+j180Ω阻抗匹配電路應該根據(jù)這個數(shù)值進行調(diào)整。

CC2420 具有內(nèi)部發(fā)送接收（T/R）開關電路，這就使得天線接口的匹配極為容易。RF 采用差動連接；單集天線需要使用不平衡變壓器。通過外接直流通路，連接引腳TXRX_SWITCH到RF_P 和RF_N,實現(xiàn)PA 和LNA 的偏置。

CC2420 是一個半雙工的RF 芯片，在同一時刻只處于一種工作狀態(tài)，或者出于發(fā)送狀態(tài)，或者處于接收狀態(tài)；CC2420 有15 個命令寄存器，每個寄存器都有一個固定的地址；CC2420的發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開的：TXFIFO 為128 字節(jié)，RXFIFO 為128 字節(jié)。

TXFIFO 與RXFIFO 的讀寫可以通過兩種方式進行：

寄存器方式：通過讀寫TXFIFO 寄存器（0x3E）操作128 字節(jié)的TXFIFO 通過讀寫RXFIFO寄存器（0x3F）操作128 字節(jié)的RXFIFO.

RAM 方式：直接對具體RAM 地址的讀寫來操作指定地址的RAM 數(shù)據(jù)。

TXFIFO 中同一時刻只能有一個等待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，RXFIFO 中同一時刻可以有多個接受到的數(shù)據(jù)幀，只要這些數(shù)據(jù)幀的總長度不超過128 字節(jié)。CC2420 使用SFD、FIFO、FIFOP 表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

5 ZigBee 組網(wǎng)設計

ZigBee 無線病房呼叫系統(tǒng)是為了彌補現(xiàn)有病房呼叫系統(tǒng)的不足、改善病房環(huán)境、減輕醫(yī)生、護士的工作量、更好的為病人服務而專門設計開發(fā)的一套病房呼叫系統(tǒng)。房間內(nèi)的呼叫節(jié)點采用星型網(wǎng)絡連接，由其中一個節(jié)點作為ZigBee 路由器，負責與中心網(wǎng)絡的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)；所有的ZigBee 路由器組成一個星型與樹型結(jié)合的混合網(wǎng)絡，再與ZigBee中心節(jié)點連接，中心節(jié)點設置在管理中心，構(gòu)建成一個完整的ZigBee 無線網(wǎng)絡。當病人發(fā)出的服務請求會通過網(wǎng)絡傳到中心端，醫(yī)生或護士可以通過中心端獲得病人的信息，對請求作出及時處理。

我們給出如下具體實現(xiàn)步驟：第一步：初始化硬件驅(qū)動和MAC 層。第二步：掃描信道獲得并處理環(huán)境信息。節(jié)點根據(jù)信道掃描的結(jié)果作出加入網(wǎng)絡或新建PAN 網(wǎng)絡的判斷，如果節(jié)點決定新建PAN 網(wǎng)絡，那么執(zhí)行第三步，否則調(diào)到第五步。第三步：建立PAN 網(wǎng)絡。其中包括以下過程：信道能量掃描、短地址信息選取、選擇PAN 網(wǎng)絡ID、初始化網(wǎng)絡設置。第四步：允許接收節(jié)點的入網(wǎng)請求。該部分處理關聯(lián)指示原語，父節(jié)點執(zhí)行完第四步后，節(jié)點己做好數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蕚?，將不再?zhí)行第五步到第六步。第五步：加入PAN 網(wǎng)絡。在這一步中，子節(jié)點先發(fā)布一個網(wǎng)絡查找原語currentPrimitive=NLME_NETWORK_DISCOVERY.request,之后子節(jié)點的MAC 層就會執(zhí)行一次主動掃描返回NLME_NETWORK_DISCOVERY.confirm,函數(shù)會據(jù)此更新鄰接表，子節(jié)點就可以從搜索到的網(wǎng)絡中選擇一個父節(jié)點加入。第六步：數(shù)據(jù)傳輸。當子節(jié)點加入網(wǎng)絡后，子節(jié)點和父節(jié)點就可以進行通信了。

6 結(jié)束語

本文從醫(yī)院對病房呼叫系統(tǒng)的實際需要出發(fā)，提出了無線病房呼叫系統(tǒng)便攜端的硬件整體設計方案，設計出無線病房呼叫系統(tǒng)便攜端的總體框圖及硬件設計，給出了該系統(tǒng)的組網(wǎng)方案及實現(xiàn)步驟。該方案具有低成本、低功耗、高可靠性和可擴展性等方面的優(yōu)點。