ZigBee的开放性技术标准的特点及应用方案

ZigBee 是一种低功耗、低成本的新型短距离无线通信

开放性技术标准。它工作频段灵活 ， 使用的频段分别为

2 。 4 GHz 、868 M Hz （ 欧洲） 及 915 M Hz （ 美国） ，均为免执照频段; 传输速率为 250 kbp s ， 有效传输距离为 10 ～

75 m 。通过在发射端加功率放大器还可以实现更远距离

的通信。

ZigBee 技术的低成本、低功耗特点 ，使其广泛地应用

到库存管理、产品质量控制、工业过程控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域。虽然实现

语音通信不是 ZigBee 联盟最初的目标 ，但是 ，在许多领域

（ 如消防抢险） 中没有语音通信功能 ，将使其应用受到很大的局限。本文正是考虑到这一点 ，并考虑到 ZigBee 理论

通信速率为 250 kp s ，实际速率也能满足语音通信要求的

情况 ，充分利用本方案所选的 MCU 的性能特性 ， 以及很少的外围器件 ，很好地实现了语音通信。

1 总体方案构架

ZigBee 语音通信系统的架构为： 以嵌入式处理器和

射频发射芯片为核心 ，辅以外围的放大与滤波电路实现语音通信。总体框图如图 1 所示。

图 1 语音通信系统总体框图

按功能分 ，主要包括以下几部分：

语音前置放大器： 主要实现对麦克风接收的语音电信号进行放大处理。

语音前置滤波器： 完成对高频电磁波的滤出 ，消除部

分干扰 ，减小语音的失真。

嵌入式处理器： 发送语音时 ，完成对语音模拟电信号

的采集 ，将其转变为数字信号 ，并打包成数据帧 ，加上必要的帧头 ，发送到射频收发器。接收语音时 ，读取射频收发器缓存器的数据 ， 并进行 D/ A 变换 ， 发送到语音接收

电路。

射频收发器： 完成数据的收/ 发 ，接收/ 发送该设备的

数据 ，并将数据发送到嵌入式处理器。

语音后置滤波器： 对经过 D/ A 变换的语音信号滤波 ，得到所需的语音信号。

语音后置放大器： 对经过滤波以后的语音信号放大 ，

最后输出到耳机 ，实现最终的语音通信。

2 硬件电路实现

2 。 1 器件选型

嵌入式处理器选用A Tmega128L单片机。ATmega128L

是 At mel 公司推出的低功耗、高性能 MCU 。其内核为

AV R ，具有先进的 RISC 架构 ， 内部具有 133 条功能强大

的指令系统 ，且大部分指令是单周期; 具有 2 个 8 位定时

器/ 计数器和 2 个具有比较/ 捕捉寄存器的 16 位定时器/

计数器 ，2 通道位数可编程 PWM 通道 ，8 路 10 位 A/ D 转

换器 ，主/ 从 SPI 串行接口 ，可编程串行通信接口以及片内精确的模拟比较器等。CPU 可工作在 IDL E 、POWER2

SAV E 、POWERDOWN 、STAND YB Y 等几种省电模式。

A Tmega128L 的软件结构也是针对低功耗而设计的 ，具有

内外多种中断模式;丰富的中断能力减少了系统设计中查

询的需要 ，可以方便地设计出中断程序结构的控制程序、上电复位和可编程的低电压检测 ， 工作电压为 2 。 7 ～

5 。 5 V 。该系统设计可以充分利用其 8 路 10 位 A/ D 转换

器和 2 通道位数可编程 PWM 通道 ，实现语音信号的 A/ D

转换和 D/ A 转换 ， 从而省去独立的 A/ D 转换器和 D/ A

转换器 ，且成本更加低廉 ，系统更加精简 ，更加稳定可靠。

同时 ，考虑到该 MCU 的低功耗特点 ， 可以使系统一次工作更长的时间。

无线发射器选用 Chipcon 公司的 CC2420 。CC2420 的

主要特点： 具有 2 Mchips/ s 直接扩频序列基带调制解调和

250 kbps 的有效数据速率; 适合简化功能装置和全功能装

置操作; 低电流消耗（接收 19 。 7 mA ，发射 17 。 4 mA） ; 低

电源电压要求（ 使用内部电压调节器时 2 。 1～3 。 6 V ，使用

paper @mesnet. com. cn （投稿专用） 2007 年第 3 期 Microcontrollers & Embedded Systems 77

外部电压调节器时 1 。 6 ～2 。 0 V） ; 可编程输出功率; 独立

的 128 字节发射、接收数据缓冲器; 电池电量可监控。

放大电路及滤波器电路的放大器选用 L MV324 。

L MV324 （ 四通道） 放大器在 2 。 7 V 以下消耗的最大供电电流为120 μA ，在5 V 下一般只消耗100 μA ，较同级器件的功耗低 20 % ，而且价格低廉 ，该系统每个设备需要 4 个

运算放大器 ，充分利用该器件。

2 。 2 系统硬件实现

语音传输系统的硬件电路如图 2 所示 ，连接麦克风的放大器是一个简单的反向放大器。增益通过 R2 和 R3 控

制（ G = R3 / R2 ） ; R4 给麦克风提供电压 ，C1 阻止直流成分

输入到放大器; R4 和 R5 给放大器提供合适的偏置; R11

和 C9 构成一个简单的一级低通滤波器。另外 ，R5 可以在放大器输出短路的情况下 ，对放大器起保护作用。语音接

收电路由 5 级低通 Chebychev 滤波器和 1 级电压跟随器构成。滤波器电路由两个相互交错的 2 级 Chebychev 滤

波器（ R6 、R7 、R8 、C2 、C5 和 R8 、R9 、R10 、C3 、C6） 和一个无源滤波器（ R10 ，C7） 构成。这 3 个滤波器的截止频率彼此稍微有点错位 ，这样可以限制整个滤波电路通带的纹波。整个电路的截止频率设置在4 000 Hz ，电压跟随器用来防止电路从输出获得反馈。

3 软件实现

3 。 1 发送端软件实现

发送端软件主要完成语音电压信号的模/ 数转换 ，并

图 2 语音传输系统硬件电路

将数据按照 ZigBee 协议规定的最大帧长度打包。本

系统采取每帧 84 字节 ，并按照用户要求发送到特定网

络设备。A Tmega128L 的主频是8 M Hz ，ADC 时钟采取

64 分频 ， 每次转换需要 13

个 ADC 周期 ， 完成一次转换需要 112 μs ; 采用单次转换模式 ，如果按照 8 k Hz 采样 ， 则每次采样时间是

125 μs ; 采用定时器 T/ C1 ，

则每到 125 μs 产生一次中

断 ，并在中断处理程序中读取A/ D转换的值 ， 同时启动下一次转换。发送端程序流

程如图 3 所示。 图 3 发送端程序流程

3 。 2 中间层软件实现

发送端获取了 A/ D 转换的结果 ，并存储于所开设的

缓存中; 中间层在发送数据时 ， 将存于缓存的数据按照

ZigBee 协议规定的格式 ，加上网络层 MAC 层和物理层的

帧头 ，将数据通过 SPI 总线发送到射频发射芯片的发送

FIFO 中。ZigBee 设备有两种寻址方式 ， 分别通过 64 位

的 IEEE 地址和16 位的网络地址来寻找网络设备。一般来说 ， IEEE 地址是固定的 ， 而网络地址则是在组网时随

机分配的。因此要对特定设备通

信 ，必须用 IEEE 地址 ，但是在进行语音通信时 ， 为了简化传输数

据 ，一般采用 16 位网络地址寻址。这就需要在第一次通信时知

道 IEEE 地址的前提下 ， 获取设

备的网络地址; 以后采用网络地

址通信。这部分工作通过 Chip2

con 的 ZigBee 协议栈实现。程序

功能实现流程如图 4 所示。接收

数据时 ，首先射频发射芯片监听信道中的数据 ， 通过判断数据是否发送该设备。如果是 ， 则读取

该数据到接收 FIFO ， 然后触发 ，

通过 SPI 总线将数据发送到

MCU ; 通过 MCU 处理 ，去掉各层