采用MC13192的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計方案
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ZigBee協(xié)議標準是由ZigBee聯(lián)盟與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組來(lái)共同制定的，其協(xié)議棧主要由5層體系組成，結構如圖1所示。其中，物理層和MAC層標準主要由IEEE 802.15.4的任務(wù)小組完成；網(wǎng)絡(luò )層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定；應用層的開(kāi)發(fā)則根據用戶(hù)的應用需要對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用戶(hù)提供機動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。
ZigBee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)，特別是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，因為它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
功耗低。由于其傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠?jì)晒澪逄栯姵鼐涂梢跃S持長(cháng)達6個(gè)月～2年左右的使用時(shí)間。
時(shí)延短。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設備的時(shí)延為30 ms，休眠激活的時(shí)延為15 ms，活動(dòng)設備信道接入的時(shí)延為15 ms。因此，ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制等應用。
網(wǎng)絡(luò )容量大。一個(gè)星型結構的ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可以容納254個(gè)從設備和1個(gè)主設備，一個(gè)區域內最多可以同時(shí)存在100個(gè)獨立而且互相重疊覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡(luò )。
安全可靠。采取了碰撞避免策略，避開(kāi)了發(fā)送數據的競爭和沖突；采用完全確認的數據傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息；還提供了基于循環(huán)冗余校驗的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證。
基于以上特點(diǎn)與優(yōu)勢，ZigBee技術(shù)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的應用將有廣闊的發(fā)展空間。
2 MC13192芯片與LPC2138芯片簡(jiǎn)介
MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee標準的射頻芯片。其工作頻率是2.405～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬；采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數據傳輸速率為250 kbps。MC13192具有一個(gè)優(yōu)化的數字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執行周期。為了適應低功耗的要求，芯片除了接收、發(fā)送和空閑3種工作狀態(tài)外，還有3種低功耗運行模式： ① 掉電模式，這種模式下芯片電流小于1 μA；② 睡眠模式， 這種模式下電流在3 μA左右；③ 休眠模式，這種模式下下電流約為35 μA。芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為0～4 dBm，接收靈敏度可以達到-92 dBm，傳輸距離30～70 m。
LPC2138芯片是Philips公司推出的一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7微控制器。它具有豐富的片上存儲功能，帶有512 KB嵌入的高速Flash存儲器和32 KB片內靜態(tài)RAM；還帶有多個(gè)串行接口，2個(gè)8路10位A/D轉換器，1個(gè)D/A轉換器和47個(gè)GPIO，以及多達9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。LPC2138有兩種低功耗模式： 空閑模式和掉電模式。較小的封裝和極低的功耗使其可以理想地與MC13192結合，作為基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。
3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計
傳感器節點(diǎn)一般由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等功能模塊組成，如圖2所示。數據采集單元負責采集監視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、加速度和大氣壓力等；數據處理單元負責控制整個(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；數據傳輸單元負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源管理單元選通所用到的傳感器。
圖2 傳感器節點(diǎn)組成框圖
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