一种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统，该Zigbee变频无线传输设备包括第一本地振荡器以及依次连接的Zigbee芯片、第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、LC匹配器以及中频天线，第一本地振荡器连接第一混频器。通过上述方式，本发明的Zigbee变频无线传输设备中将Zigbee芯片的高频传输模式改成了中频传输，因此信号的传递距离变远，跨越障碍的能力变强，又保存了Zigbee自组网的优点，是一种中短途信号传输效果优秀的设备。
【专利说明】-种Zigbee变频无线传输设备及水下监测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传输设备，特别涉及一种Zigbee变频无线传输设备及水下 监测系统。
【背景技术】
[0002] Zigbee是基于IEEE 802. 15. 42标准的低功耗个域网协议，2000年12月，IEEE 802无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Network)小组成立，致力于WPAN无线传 输协议的建立。2003年12月，IEEE正式发布了该技术物理层和MAC层所采用的标准协议， 即IEEE 802. 15. 4协议标准，作为Zigbee技术的网络层和媒体接入层的标准协议。2004年 12月，Zigbee联盟在IEEE 802. 15. 4定义的物理层（PHY)和媒体接入层（MAC)的基础上定 义了网络层和应用层，正式发布了基于IEEE 802. 15. 4的Zigbee标准协议。
[0003] Zigbee技术是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及 荷兰飞利浦等公司在2000年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗 小的无线通信技术。
[0004] ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓 扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器（Coordinator)、路由 器（Router)、终端节点（End Device)等三种角色。中国物联网校企联盟认为：Zigbee作 为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此 在物联网领域具有非常强的可应用性。Zigbee网络是一种高可靠无线数传网络，在水文水 利、智能家居、农业、医疗、商业等场所都能发挥很大的作用，它能利用相应传感器实时准确 的自动化采集数据和控制数据传输，与远程监控平台建立通信，方便远程监控平台来监测 和控制整个网络系统。Zigbee网络是一个由可最多可达65000个无线数传模块（俗称节 点）组成的一个无线数传网络平台，各节点都被分配了固定的IP地址，每一个ZigBee网络 节点之间可以相互通信，ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，其所连接的传感器 直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其它网络节点传过来的数据。
[0005] Zigbee网络一般采用树型状和星型状来组网，因其自身工作于2. 4GHz频段，相对 于其它中低频段信号，具有穿透能力强，绕射能力差，气候恶劣时无线通信信号衰减大等特 点，在小范围、通信短距离的室内场所能发挥重大作用，但是在户外环境下，环境变幻莫测、 中远距离传输时随着网络节点数目的增加和中转次数增多，数据传输时延会大大增加，无 线信号衰减会大大增大，这种情况下Zigbee自组网的特点便无法发挥出来。
[0006] 并且，在一些水质监测等需要进行水下监测时，Zigbee网络的数据传输距离过近 将成为一个大问题，而Zigbee自组网又是一个极其优秀的数据通信网络，另人难以取舍。
[0007] 故针对上述问题，有必要设计一款新的Zigbee变频无线传输设备及水下监测系 统来弥补上述缺陷。
【发明内容】
[0008] 本发明提出一种Zigbee变频无线传输设备及应用该设备的水下监测系统，该设 备将主要应用于物联网的传感节点器件上，这类传感节点的通讯特点是传输速率不高，并 发数据传输的情况很少。使用本发明的结构，能解决现有技术中Zigbee自组网的传输距离 过短的问题。
[0009] 本发明的技术方案是这样实现的：提供一种Zigbee变频无线传输设备，该Zigbee 变频无线传输设备包括第一本地振荡器以及依次连接的Zigbee芯片、第一混频器、第一中 频滤波器、功率放大器、LC匹配器以及中频天线，第一本地振荡器连接第一混频器。
[0010] 进一步，Zigbee变频无线传输设备进一步包括射频开关，射频开关设置于LC匹配 器以及中频天线之间，射频开关一端连接中频天线，另一端选择性连接LC匹配器。
[0011] 进一步，Zigbee变频无线传输设备进一步包括第二本地振荡器、连接Zigbee芯片 的射频滤波器、连接射频滤波器的第二混频器、连接第二混频器的低噪声放大器、连接低噪 声放大器的第二中频滤波器，射频开关的另一端进一步在LC匹配器与第二中频滤波器中 选择性连接，第二本地振荡器连接第二混频器，第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、 LC匹配器、射频滤波器、第二混频器、第二本地振荡器、低噪声放大器、第二中频滤波器、射 频开关以及中频天线组成变频模块。
[0012] 进一步，Zigbee变频无线传输设备进一步包括连接上述各部件的电源系统。
[0013] 进一步，电源系统包括依次连接的太阳能板、蓄电池以及系统电源。
[0014] 本发明的另一技术方案是这样实现的：提供一种水下监测系统，该水下监测系统 包括水质多功能探头、与水质多功能探头连接的Zigbee终端节点、与的Zigbee终端节点信 号连接的Zigbee路由器、与Zigbee路由器信号连接的Zigbee协调器、与Zigbee协调器连 接的GPRS网关以及与GPRS网关通过GPRS网络连接的监测中心，水质多功能探头所获取的 数据通过Zigbee终端节点、Zigbee路由器、Zigbee协调器以及GPRS网关后传输至监测中 心，其中，Zigbee终端节点中包括上述任意一项的Zigbee变频无线传输设备，Zigbee路由 器以及Zigbee协调器中包括上述任意一项的Zigbee变频无线传输设备。
[0015] 其中于，GPRS网关以及监测中心之间通过基站进行信号中转。
[0016] 其中，水下监测系统进一步包括数据中心，与监测中心网络连接，用于获取监测中 心的数据并记录。
[0017] 其中，数据中心与监测中心通过因特网连接。
[0018] 其中，每一水质多功能探头对应一个Zigbee终端节点，每一 Zigbee协调器信号连 接多个Zigbee路由器，每一 Zigbee路由器信号连接多个Zigbee终端节点
[0019] 通过上述方式，本发明的Zigbee变频无线传输设备中将Zigbee芯片的高频传输 模式改成了中频传输，因此信号的传递距离变远，跨越障碍的能力变强，又保存了 Zigbee 自组网的优点，是一种中短途信号传输效果优秀的设备。并且，将此Zigbee变频无线传输 设备应用于水下监测，例如水质的监测等，会使的水质监测能够更方便进行远距离监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0021] 图1是本发明的Zigbee变频无线传输设备的一优选实施例的结构示意图；
[0022] 图2是本发明的水下监测系统的一优选实施例的结构示意图；
[0023] 图3是图1中的单个射频器件噪声系数和系统级联总噪声系数示意图；
[0024] 图4是Zigbee变频模块的频率变换图；
[0025] 图5是本发明的Zigbee变频无线传输设备中无线通信信号在自由空间中传输损 耗示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 参照图1，本发明的Zigbee变频无线传输设备的一优选实施例的结构示意图。在 本实施例中。Zigbee变频无线传输设备10包括Zigbee芯片110、第一本地振荡器112第 一混频器111、第一中频滤波器113、功率放大器114、LC匹配器115、射频开关116、第二本 地振荡器120、射频滤波器118、第二混频器119、低噪声放大器121、第二中频滤波器122以 及中频天线117。
[0028] 第一本地振荡器112连接第一混频器111。射频开关116设置于LC匹配器115以 及中频天线117之间。射频开关116 -端连接中频天线117,另一端选择性连接LC匹配器 115。Zigbee芯片110、第一混频器111、第一中频滤波器113、功率放大器114、LC匹配器 115依次连接。
[0029] 射频滤波器118连接Zigbee芯片110,第二混频器119连接射频滤波器118、低噪 声放大器121连接第二混频器119,第二中频滤波器122连接低噪声放大器121。射频开关 116的另一端进一步在LC匹配器115与第二中频滤波器122中选择性连接。第二本地振荡 器120连接第二混频器119。
[0030] 在本实施例中，Zigbee变频无线传输设备10还包括连接上述各部件的电源系统 20。电源系统包括依次连接的太阳能板、蓄电池以及系统电源。
[0031] 其中，太阳能板充电器给蓄电池充电，蓄电池输出电压经系统电源电压转换电路 变成所需要的电源电压，供低噪放、功放等电路使用。
[0032] 另外，在特殊实施例中，当只需要进行信号发送时，Zigbee变频无线传输设备10 只需包括Zigbee芯片110、第一本地振荡器112第一混频器111、第一中频滤波器113、功率 放大器114、LC匹配器115以及中频天线117即可，LC匹配器115直接连接中频天线117。
[0033] 通过上述部件，可使Zigbee芯片110的信号实现中频传输，因此信号的传递距离 变远，跨越障碍的能力变强。本申请仅保护上述结构，并不包含软件部分。
[0034] 图2是本发明的水下监测系统的一优选实施例的结构示意图。在本实施例中，水 下监测系统包括水质多功能探头311、Zigbee终端节点312、Zigbee路由器313、Zigbee协 调器314、GPRS网关315、基站316、监测中心317以及数据中心319。在本实施例中，Zigbee 终端节点312、Zigbee路由器313以及Zigbee协调器314中包括例如上一实施例所述的 Zigbee变频无线传输设备10。
[0035] 水质多功能探头311与Zigbee终端节点312连接，可通过电缆等进行连接。 Zigbee终端节点312信号连接的与Zigbee路由器313信号连接，Zigbee路由器313与 Zigbee协调器314信号连接。Zigbee协调器314与GPRS网关315通过基站316以GPRS网 络连接，即GPRS网关315以及监测中心317之间通过基站316进行信号中转。其中，Zigbee 终端节点312例如为上述实施例中的Zigbee变频无线传输设备10。
[0036] 水质多功能探头311所获取的数据通过Zigbee终端节点312、Zigbee路由器313、 Zigbee协调器314以及GPRS网关315后传输至监测中心317。其中，Zigbee终端节点312 还可为上一实施例的特殊实施例所述的Zigbee变频无线传输设备10。数据中心319与监 测中心317网络连接，用于获取监测中心317的数据并记录。
[0037] 在本实施例中，数据中心319与监测中心317通过因特网318连接。
[0038] 为了发挥Zigbee自组网的优秀特性，每一水质多功能探头311对应一个Zigbee 终端节点312,每一 Zigbee协调器314信号连接多个Zigbee路由器313,每一 Zigbee路由 器313信号连接多个Zigbee终端节点312。图2中仅为一实施例，并非限制各个部件的数 量。
[0039] 本发明在运用Zigbee自组网技术的基础上，引入了中频概念并实用，运用了中频 信号空间传输绕射能力强，传输距离远的特点，将Zigbee信号转换成中频信号来传输，从 根本上克服了 Zigbee无线传输距离短、绕射能力差的缺点。具体实现步骤如下：发射端： 将Zigbee芯片110发射端产生的2. 4GHz信号跟运用了锁相环（PLL)技术的第一本地振荡 器112输出的2GHz左右信号用第一混频器111进行变频，变频到中频信号315MHz。经过 第一中频滤波器113滤掉变频过程中产生的镜频信号、半中频信号、谐波信号及可能带来 的无用杂波信号。然后，再经过功率放大器114将中频信号放大到指定功率，经过LC匹配 器115 (或使用LC滤波器）来滤除杂波及匹配前后级。再经过射频开关116,使其导向发 射端，经过中频天线117将中频信号发射到自由空间。接收端：通过中频天线117来接收自 由空间无线传输进来的中频信号。射频开关116导向接收端，经过第二中频滤波器122来 滤除中频天线117引进的无用杂波信号，再经过低噪声放大器121来降低接收端噪声系数 (NF)，同时提供足够的增益来优化后级噪声，同时驱动后级器件正常运行，再与第二本地振 荡器120通过第二混频器119进行变频，上变频到2. 4GHz Zigbee信号。然后，再经过射频 滤波器118滤掉变频过程中产生的镜频信号、半中频信号、谐波信号及可能带来的无用杂 波信号，再将2. 4GHz Zigbee信号输入给Zigbee芯片110进行运算和处理。
[0040] 参阅图4,图4是Zigbee变频模块的频率变换图。
[0041] Zigbee 芯片 110 的使用频率为 FI = 2405MHz+5(k-ll)MHz，共 16 个信道，k 是 11-26的取值；因要求输出中频为定频信号315MHz，所以本地振荡器也要随之改变，本地振 荡器的输出频率为F2 = 2090MHz+5(k-ll)MHz，共16个信道，k是11-26的取值，具体输出 频率视现场无线环境来调节。另外，同样的，在接收信号时，接收到的中频定频信号315MHz， 然后，本地振荡器的输出频率为F3 = 2090MHZ+5(k-ll)MHz，Zigbee芯片110接收到的信号 频率为 F4 = 2405MHz+5(k-ll)MHz。
[0042] 本发明中，Zigbee信号频率变换和本地振荡器L0频率变换可通过表1来说明。
[0043]
[0044]
【权利要求】
1. 一种Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线传输设备包括第 一本地振荡器以及依次连接的Zigbee芯片、第一混频器、第一中频滤波器、功率放大器、LC 匹配器以及中频天线，所述第一本地振荡器连接所述第一混频器。
2. 如权利要求1所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线 传输设备进一步包括射频开关，所述射频开关设置于所述LC匹配器以及所述中频天线之 间，所述射频开关一端连接所述中频天线，另一端选择性连接所述LC匹配器。
3. 如权利要求2所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线 传输设备进一步包括第二本地振荡器、连接所述Zigbee芯片的射频滤波器、连接所述射频 滤波器的第二混频器、连接所述第二混频器的低噪声放大器、连接所述低噪声放大器的第 二中频滤波器，所述射频开关的另一端进一步在所述LC匹配器与所述第二中频滤波器中 选择性连接，所述第二本地振荡器连接所述第二混频器，所述第一混频器、所述第一中频滤 波器、所述功率放大器、所述LC匹配器、所述射频滤波器、所述第二混频器、所述第二本地 振荡器、所述低噪声放大器、所述第二中频滤波器、所述射频开关以及所述中频天线组成变 频模块。
4. 如权利要求3所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述Zigbee变频无线 传输设备进一步包括连接上述各部件的电源系统。
5. 如权利要求4所述的Zigbee变频无线传输设备，其特征在于，所述电源系统包括依 次连接的太阳能板、蓄电池以及系统电源。
6. -种水下监测系统，其特征在于，所述水下监测系统包括水质多功能探头、与所述水 质多功能探头连接的Zigbee终端节点、与所述的Zigbee终端节点信号连接的Zigbee路 由器、与所述Zigbee路由器信号连接的Zigbee协调器、与所述Zigbee协调器连接的GPRS 网关以及与所述GPRS网关通过GPRS网络连接的监测中心，所述水质多功能探头所获取的 数据通过所述Zigbee终端节点、所述Zigbee路由器、所述Zigbee协调器以及所述GPRS网 关后传输至监测中心，其中，所述Zigbee终端节点中包括权利要求1-5中任意一项所述的 Zigbee变频无线传输设备，所述Zigbee路由器以及所述Zigbee协调器中包括权利要求 3-5中任意一项所述的Zigbee变频无线传输设备。
7. 如权利要求6所述的水下监测系统，其特征在于，所述GPRS网关以及所述监测中心 之间通过基站进行信号中转。
8. 如权利要求7所述的水下监测系统，其特征在于，所述水下监测系统进一步包括数 据中心，与所述监测中心网络连接，用于获取监测中心的数据并记录。
9. 如权利要求8所述的水下监测系统，其特征在于，所述数据中心与所述监测中心通 过因特网连接。
10. 如权利要求6所述的水下监测系统，其特征在于，每一所述水质多功能探头对应一 个所述Zigbee终端节点，每一所述Zigbee协调器信号连接多个所述Zigbee路由器，每一 所述Zigbee路由器信号连接多个所述Zigbee终端节点。
【文档编号】H04W88/02GK104219792SQ201410425530
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】李喆, 谭德宝, 邓佩刚, 杨政, 申郡洪, 张穗, 陈蓓青, 文雄飞, 向大亨 申请人:长江水利委员会长江科学院, 武汉瑞芯科微电子技术有限公司