基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

摘要：文中基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計，分析了ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并將ZigBee技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)結合起來(lái)，詳細介紹了傳感器節點(diǎn)的硬件基本組成及設計。經(jīng)驗證，該設計方法簡(jiǎn)單可靠，功耗小，成本低，適合低速率的傳輸，具有廣泛的應用前景。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；節點(diǎn)；CC2430

0 引言
目前發(fā)展較成熟的幾大無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，往往比較復雜，不但耗費較多資源，成本也較高，不適于短距離無(wú)線(xiàn)通信。ZigBee技術(shù)的出現就彌補了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺，大大減少資源的浪費，且有很大的發(fā)展前景。
ZigBee技術(shù)是在IEEE 802．15．4協(xié)議標準的基礎上擴展起來(lái)的，是一種短距離、低功耗、低傳輸速率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。該技術(shù)主要針對低速率傳感器網(wǎng)絡(luò )而提出，能夠滿(mǎn)足小型化、低成本設備的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要求，可廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)和日常生活中。
ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )根據應用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )和簇狀網(wǎng)絡(luò )三中拓撲結構。ZigBee網(wǎng)絡(luò )有兩種類(lèi)型的多點(diǎn)接入機制。在沒(méi)有使能信標的網(wǎng)絡(luò )中，只要信道是空閑的，任何時(shí)候都允許所有節點(diǎn)發(fā)送。在使能信標的網(wǎng)絡(luò )中，僅允許節點(diǎn)在預定義的時(shí)隙內進(jìn)行發(fā)送。協(xié)調器會(huì )定期以一個(gè)標知為信標幀的超級幀開(kāi)始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)與此幀同步。在這個(gè)超級幀中為每個(gè)節點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內允許節點(diǎn)發(fā)送和接收數據。超級幀可能還含有一個(gè)公共時(shí)隙，在此時(shí)隙內所有節點(diǎn)競爭接入信道。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計
本文采用集成MCU+射頻收發(fā)模塊的SOC設計方式，這種組合方式的兼容性與芯片之間的數據傳輸可靠性強，而且能實(shí)現節點(diǎn)的更微小化和極低的功耗。
1．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源管理模塊組成，如圖1所示。數據采集單元用來(lái)采集區域的信息并完成數據轉換，采集的信息包含溫度、濕度、光強度、加速度及大氣壓力等；數據處理單元控制整個(gè)節點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理和任務(wù)管理等；數據傳輸單元用于與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、交換控制消息及收發(fā)采集數據；電源管理單元選通所用到的傳感器。

1．2 CC2430模塊
本文采用CC2430芯片為核心來(lái)設計傳感器節點(diǎn)。CC2430芯片是挪威Chipcon公司推出的符合IEEE802．15．4標準ZigBee協(xié)議的Soc解決方案。適合于各種ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，包括調諧器、路由器和終端設備。CC2430模塊采用0．18 um CMOSSE藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或者25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命長(cháng)的應用。
CC2430有兩個(gè)串行通信接口USART0和USART1。兩個(gè)串口既可以工作于UART(異步通信)模式，也可工作于SPI(同步通信)方式，模式的選擇由串口控制／狀態(tài)寄存器的UOCSR．MODE決定。
UART模式的操作具有下列特點(diǎn)：8位或9位數據；奇校驗、偶校驗或無(wú)奇偶校驗；配置起始位和停止位電平；配置LSB(低有效位)或者M(jìn)SB(高有效位)優(yōu)先傳送；獨立收發(fā)中斷；獨立收發(fā)DMA觸發(fā)；奇偶校驗和幀校驗出錯狀態(tài)。
1．3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計
由于CC2430是無(wú)線(xiàn)SOC設計方案，其內部已集成大量必要的電路，因此只需采用較少的外圍電路即可實(shí)現信號的收發(fā)功能。
在傳感器模塊的設計上，由于CC2430的外設接口是可配置的，把它的接口用插針引出，可以根據不同的應用隨時(shí)添加不同的傳感器。RF天線(xiàn)的設計：CC2430可以使用不同類(lèi)型的天線(xiàn)，其中偶極子差分天線(xiàn)是最容易接口的，不需要巴倫(網(wǎng)絡(luò )平衡到不平衡轉換器)。而且考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的低功耗特性，使用差分天線(xiàn)以提供最大范圍。λ／2偶極子天線(xiàn)長(cháng)度為L(cháng)=14250／f，f的單位為MHz，L的單位為cm。因此，2450MHz的天線(xiàn)必須是5．8cm，天線(xiàn)每一邊是2．9cm。由于傳感器節點(diǎn)的功耗很低，所以傳感器節點(diǎn)可以使用兩節干電池供電，但在取4V～10V方便的場(chǎng)合，可以提供一個(gè)穩壓3．3V直流的接口電路，如圖2所示。