基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)成為國內外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和救災等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景[1]。國內外很多單位都開(kāi)展了相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議性能仿真和硬件節點(diǎn)小規模實(shí)驗設計階段。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求極低的功率消耗，以使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的設備可工作更長(cháng)的時(shí)間，同時(shí)低成本也是無(wú)線(xiàn)傳感器普及應用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )提供了互連互通的平臺，目前基于該技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和開(kāi)發(fā)得到越來(lái)越多的關(guān)注。本文就是基于ZigBee技術(shù)，設計了通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，以期待能夠產(chǎn)業(yè)化，為我國的無(wú)線(xiàn)傳感器事業(yè)做出更大的貢獻。

　　基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)勢

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現花粉位置時(shí)，通過(guò)跳Z字形舞蹈來(lái)告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f(shuō)是一種小動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現“無(wú)線(xiàn)”的溝通，人們借此稱(chēng)呼一種專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，亦包含寓意。ZigBee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進(jìn)行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò )層、應用會(huì )聚層和高層應用規范由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定。ZigBee的特點(diǎn)突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個(gè)方面[2]。

　?、?低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙只能工作數周、WiFi只可工作數小時(shí)。

　?、?低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點(diǎn)需要32 KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4 KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費。

　?、?低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數據的應用需求。

　?、?近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　?、?短時(shí)延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms，進(jìn)一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

　?、?高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)；同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。

　?、?協(xié)議簡(jiǎn)單、安全性高。ZigBee協(xié)議棧長(cháng)度平均只有藍牙的1/4，這種簡(jiǎn)化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。ZigBee技術(shù)提供了數據完整性檢查和鑒權功能，提供了三級安全模式，可靈活確定其安全屬性，網(wǎng)絡(luò )安全能夠得到有效的保障。

　?、?免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段—2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　由上述ZigBee的主要技術(shù)特點(diǎn)，可以看出：基于IEEE802.15.4標準，可在數千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現相互協(xié)調通信。另外，采用接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，可使得通信效率非常高。與現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率最適合應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)任意散落在被監測區域內。節點(diǎn)以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼方式將監測數據傳到Sink節點(diǎn)，最終借助長(cháng)距離或臨時(shí)建立的Sink鏈路將整個(gè)區域內的數據傳送到遠程中心進(jìn)行集中處理。圖1給出了一般形式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構[3]。

　　針對環(huán)境及結構狀態(tài)監測，我們設計了一種通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節點(diǎn)、具有無(wú)線(xiàn)接收功能的Sink節點(diǎn)及一臺計算機構成。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無(wú)線(xiàn)通信等工作，Sink節點(diǎn)接收各傳感器的數據并以有線(xiàn)的方式將數據傳送給計算機，如圖2所示。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)一般由傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監視區域的信息并完成數據轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數據處理 模塊負責控制整個(gè)節點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數據傳輸模塊負責與其他節點(diǎn)或Sink節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點(diǎn)電源采用微型紐扣電池，以減小節點(diǎn)的體積。

　　我們設計的節點(diǎn)實(shí)現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去。該節點(diǎn)包含ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節點(diǎn)的成本，減小傳感器節點(diǎn)的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現傳感器節點(diǎn)的數據傳輸和處理功能。圖3是設計的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的結構框圖。下面將分別介紹無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)中的幾個(gè)主要功能模塊。