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

另一方面，新興的ZigBee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)網(wǎng)絡(luò )，本文將討論一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)應變節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的設計。

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的設計思路

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，可以實(shí)現無(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)。

本設計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，以實(shí)現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采用基于雙核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。