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EEPW首頁(yè) > 手機與無(wú)線(xiàn)通信 > 設計應用 > 基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計與實(shí)現

基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計與實(shí)現

作者: 時(shí)間:2008-05-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
(WSN)是由大量分布式智能組成的面向任務(wù)的個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN),它融合了微電機技術(shù)、數據采集技術(shù)、嵌入式計算機(MCU)技術(shù)、現代通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、節能技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。通過(guò)多功能點(diǎn)對目標信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測,由MCU對信息進(jìn)行處理,由WPAN進(jìn)行數據通信,由主控PC系統軟件將千萬(wàn)個(gè)采集的數據進(jìn)行綜合分析處理及控制。WSN技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景,可以廣泛應用于國防、反恐、工農業(yè)監測、城市管理、生物醫療、環(huán)境監測、森林防火、搶險救災、工程檢測、智能大廈、危險區域遠程控制等諸多領(lǐng)域。

另一方面,新興的技術(shù)具有體積小、無(wú)需線(xiàn)纜、可容納節點(diǎn)數多、工作頻段免費、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、可互操作、多跳傳遞、拆裝方便等特性,因此十分適合于組建無(wú)線(xiàn),本文將討論一個(gè)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)應變節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的。

技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的思路

2005年6月公布的ZigBee/IEEE802.15.4標準采用低數據速率(250kbps)來(lái)取代低功耗、低成本和小體積的特性,這使其在所有短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)中具有極大的潛力。采用在大多數應用可接受的低速率,獨特的節能管理(信標喚醒/休眠)技術(shù)、減小占空比(2%)以及數據優(yōu)化融合模式,可以無(wú)需電源連線(xiàn)的小型電池供電。通過(guò)采用DSSS編碼、半正弦脈沖形狀的偏移正交相移鍵控調制、128位加密算法等先進(jìn)技術(shù),可以保障通信與數據的安全性。圖所示為嵌入式應變傳感器節點(diǎn)的內部結構框圖,其中內嵌了TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線(xiàn)程結構。

嵌入式應變傳感器節點(diǎn)的內部結構框圖(內嵌TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線(xiàn)程結構)。
嵌入式應變傳感器節點(diǎn)的內部結構框圖(內嵌TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線(xiàn)程結構)。

為可外接應變片的開(kāi)放式傳感器,應變測量傳感器采集應變片電橋失衡產(chǎn)生的微伏級電壓信號,比其它采集毫伏級信號的傳感器要復雜得多(如溫度、振動(dòng)、煙塵傳感器),其主要原因是:

1. 橋路電流大于10mA時(shí)應變片會(huì )發(fā)熱不穩定,因此要求供橋電壓低且高度穩定。從而導致產(chǎn)生信號很小,一般為1με/1μV。

2. 要求可編程信號調節器的放大倍數達到千倍左右,并且具有高穩定性和超低噪聲特性。本設計中采用的是24位A/D及可編程抗混濾波器。

3. 由于應變測量必須根據需要來(lái)現場(chǎng)靈活設置測點(diǎn)數量、半橋/全橋、靈數系數、初始值、加載值、多種應變花計算等,大量復雜的分析處理都采用(資源有限的嵌入式節點(diǎn)惹)專(zhuān)用MCU來(lái)完成。

4. 射頻通信必須采用節能的ZigBee芯片,以安全可靠的數據傳輸,其內嵌的MCU將完成復雜的通信及網(wǎng)絡(luò )管理任務(wù)。為此,設計了4個(gè)定時(shí)器、4組程序/數據存儲器(分別提供8、32、64、128kB的閃存空間)、4個(gè)振蕩器(分別為32MHz、32.768kHz晶振,16MHz、32.768Hz RC振蕩器)用于系統時(shí)鐘和定時(shí)操作。用一個(gè)4種功耗狀態(tài)節能管理器,一個(gè)AES協(xié)調處理器CSMA/CA、128-AES加密技術(shù)來(lái)提供認證和加密,以盡可能少地占用微控制器。中斷控制器有18個(gè)中斷源提供服務(wù),每個(gè)中斷都被賦予4個(gè)中斷優(yōu)先級中的某一個(gè)。設計了一個(gè)可編程看門(mén)狗、兩個(gè)可編程USAT,用于主/從SPI或UART操作。此外,還設有CRC-16校驗,一個(gè)信號強度/數據質(zhì)量檢測/數字RSSI及品質(zhì)指示LQI。

5.無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)的生命周期依賴(lài)于電池壽命,節能技術(shù)也是WPAN技術(shù)中的難點(diǎn)之一。本設計中的節點(diǎn)必須具有射頻通信、信號調理器和供橋等三種不同要求的電源,對低功耗的要求比其它信號傳感器要高得多。節點(diǎn)電池靜態(tài)電流為:休眠狀態(tài)30μA,喚醒工作狀態(tài)27~40mA;耗電管理狀態(tài):100%、66%、33%、更換電池預警四級管理。

在硬件設計中,考慮到要求1微伏信號的穩定、超低噪聲和抗干擾等綜合因素,需要精心處理射頻與低頻、數字與模擬、三種電源間分別接地的安排,任何微安級的地電流干擾都會(huì )使得前功盡棄。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的軟件設計

由于數據采集與信號調理、射頻通信、節能、數據優(yōu)化處理(使傳輸的數據包最小化)等大量復雜的分析處理都在資源有限的嵌入式節點(diǎn)韌瓿桑因此必須精心設計面向特定應用的操作系統Tinyos。Tinyos采用雙核4線(xiàn)程架構的組件,包括主組件、應用組件、執行組件、傳感與程控放大組件、通信組件、硬件抽象組件和電源節能管理組件。每個(gè)組件內封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過(guò)接口聲明所調用的命令或外部觸發(fā)的事件兩種方式來(lái)工作。調度器則負責根據任務(wù)的輕重緩急來(lái)安排系統的工作。本設計采用了基于優(yōu)先級,兼顧時(shí)限和任務(wù)的調度方式的嵌入式軟件技術(shù)。

此外,鑒于本網(wǎng)絡(luò )系統具有以下特點(diǎn):節點(diǎn)程序/數據存儲量小、傳輸速度250kbps、節點(diǎn)密度大、突發(fā)性/間歇性信息、低功耗、安全性、并發(fā)性、移動(dòng)性、健壯性、節能的協(xié)議堆棧,常規的編程技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足本系統的特殊環(huán)境和要求,必須采用雙核多線(xiàn)程架構,并有針對性地創(chuàng )建新技術(shù)來(lái)設計系統軟件。本文中采用了基于優(yōu)先級的可搶占/不搶占調度、兼顧時(shí)限/任務(wù)調度、動(dòng)態(tài)/靜態(tài)時(shí)間片輪詢(xún)調度的創(chuàng )新技術(shù)來(lái)設計嵌入式軟件。

中央控制中心PC機系統軟件初步設計的功能包括以下方面。1. 模塊選擇:應變模塊、溫度模塊、濕度模塊、荷重計量模塊、環(huán)保模塊、資產(chǎn)跟蹤模塊、身份識別模塊、軍事模塊、智能大廈模塊、小區抄表模塊等;2. 狀態(tài)監控設置:數據采集次數、時(shí)間間隔、事件觸發(fā)采集等;3. 數據采集、數據處理、查看數據等;4. 其它參數設置:各種文件名稱(chēng)、時(shí)間、單位名稱(chēng)、本次監測實(shí)驗名稱(chēng)等。

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的工作原理

首先,各節點(diǎn)加電,完成自檢功能后,由中央控制中心自動(dòng)找到工作頻率范圍內干擾最小的信道,并建立網(wǎng)絡(luò )。其余節點(diǎn)自動(dòng)找到中心并申請入網(wǎng)。中央控制中心向節點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò )參數,收到參數的節點(diǎn)保存參數并加入網(wǎng)絡(luò )。當某節點(diǎn)由于距離/干擾不能直接與中心通信時(shí),則自動(dòng)向周?chē)濣c(diǎn)廣播自身信息,通過(guò)評價(jià)周?chē)濣c(diǎn)到中心的路由信息來(lái)決定使用哪個(gè)節點(diǎn)作為其父節點(diǎn),從而完成入網(wǎng)過(guò)程。

上述過(guò)程在非人工干預下自動(dòng)完成(甚至在節點(diǎn)移動(dòng)中)組網(wǎng),然后開(kāi)始數據采集與傳輸:指令/事件觸發(fā)某節點(diǎn)→采集環(huán)境參數→放大、濾波、A/D、加密數據暫存→綁定(確定發(fā)、收信息目標地址)→入網(wǎng)通信受阻→改變路徑/擴、變射頻→再次申請入網(wǎng)→應答許可→傳遞數據→檢查通信/數據接收質(zhì)量(可能跳傳千百次)→首匯集(路由)父節點(diǎn)(接力式)功放轉發(fā)→再次路由/檢查鏈路質(zhì)量(或由GSM/網(wǎng)關(guān)上傳至有線(xiàn)網(wǎng))→中央控制中心收集各節點(diǎn)數據/分析處理→通知某節點(diǎn)執行控制→采集節點(diǎn)休眠/冬眠/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )(以上工作在20ms內完成)→當一個(gè)節點(diǎn)或部分節點(diǎn)失效時(shí),剩余節點(diǎn)自動(dòng)組成新的網(wǎng)絡(luò ),靜候指令/觸發(fā)工作→“虛擬網(wǎng)絡(luò )管理員”全網(wǎng)巡察……與數字電臺無(wú)線(xiàn)遙控遙測SCADA系統相配合,可構成具有50公里覆蓋范圍的控制系統。



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