802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

引言  

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò )為代表的無(wú)線(xiàn)應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶(hù)能擁有較長(cháng)的電池壽命和較多的器件陣列。IEEE802.15.4/ZigBee標準把低功耗、低成本作為主要目標，為傳感器網(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。  

簡(jiǎn)介  

IEEE802.15.4規范是一種經(jīng)濟、高效、低數據速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、以及數據鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

物理層 

物理層采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)技術(shù)，可提供27個(gè)信道用于數據收發(fā)。IEEE802.15.4 定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標準。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數據包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評估，收發(fā)數據。 

數據鏈路層 

IEEE802系列標準把數據鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC。IEEE802.15.4的MAC子層支持多種LLC標準。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現設備之間的數據幀傳輸；而LLC子層在MAC子層的基礎上，給設備提供面向連接和無(wú)連接的服務(wù)。MAC子層功能具體包括：協(xié)調器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步；支持PAN網(wǎng)絡(luò )的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持無(wú)線(xiàn)信道的通信安全；使用CSMA-CA機制；支持保護時(shí)隙(GTS)機制；支持不同設備的MAC層之間的可靠傳輸。LLC子層功能包括：傳輸可靠性保障和控制；數據包的分段與重組；數據包的順序傳輸。 

傳感器的顯著(zhù)優(yōu)勢 

基于IEEE 802.15.4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。 一般而言，隨著(zhù)通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò )的標準。ZigBee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò )。 

低功耗、低成本 

在基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò )中，可以由全功能設備作為Sink節點(diǎn)，終端節點(diǎn)一般使用削減功能設備來(lái)降低系統成本和功耗，提高電池使用壽命。

大容量、短時(shí)延 

單個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可容納更高密度的節點(diǎn)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )可以容納最多254個(gè)從設備和1個(gè)主設備，一個(gè)區域可以有100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )同時(shí)存在，特別地能滿(mǎn)足大規模傳感器陣列的要求。 

協(xié)議簡(jiǎn)單、高安全性 

ZigBee協(xié)議棧長(cháng)度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11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。 

基于IEEE/ZigBee傳感器節點(diǎn)的設計 

傳感器節點(diǎn)的硬件參考模型

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(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。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；數據通信模塊負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點(diǎn)電源由兩節1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。 

本文設計的傳感器節點(diǎn)實(shí)現機理是以IEEE/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)同樣包IEEE/ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。 

傳感器節點(diǎn)的各模塊器件選擇 

隨著(zhù)IEEE/ZigBee標準的發(fā)布，世界各大無(wú)線(xiàn)芯片廠(chǎng)商陸續推出了支持該標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。這些芯片大都集成了該標準的物理層功能，可作為傳感器節點(diǎn)的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實(shí)現MAC層功能。 

無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片選擇 

無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的選擇主要考慮以下因素： 

① 頻段：IEEE 802.14.5定義了兩種工作頻率。一般來(lái)講，高頻率能提供高的數據傳輸速率，但對天線(xiàn)要求較高，高速率也意味著(zhù)需要耗費更多的能量。各國對無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品都有嚴格的管理和監督，根據國內無(wú)線(xiàn)頻譜管理相關(guān)規定，只能選擇工作在2.4GHz頻段的器件。 

② 調制方式：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )規模大、密度高和帶寬窄的特點(diǎn)使得其存在嚴重的內部通信干擾。因此WSN需要實(shí)現簡(jiǎn)單、抗干擾能力強、功耗低且成本低廉的調制和擴頻機制。目前廣泛應用的包括FSK和OQPSK兩種。其中FSK具有設備簡(jiǎn)單、調制和解調方便等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較好的抗多徑時(shí)延性能。

③ 睡眠電流與喚醒時(shí)間：傳感器通常處于睡眠狀態(tài)，睡眠喚醒時(shí)間以及睡眠電流都是必須考慮的指標。表1列出了幾種常見(jiàn)收發(fā)芯片的主要指標。綜合考慮以上因素，適合在國內使用的射頻芯片是工作在2.4GHz頻段的CC2420和CC2430。

處理器的選擇 

處理器是傳感器節點(diǎn)的核心，在選擇時(shí)，必須滿(mǎn)足體積小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足夠快、成本盡量低等幾個(gè)要求。AVR單片機在軟／硬件開(kāi)銷(xiāo)、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡,是高性?xún)r(jià)比的單片機。高檔ATMega系列AVR單片機，主要包括ATMega8/16/32/64/128等型號，片內集成了較大容量的存儲器(存儲容量分別為8/16/32/64/128 KB)和豐富強大的硬件接口電路，具有先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結構。 

傳感器和電源 

傳感器應根據實(shí)際的需要進(jìn)行選擇，可以是溫度、濕度、強度、加速度、震動(dòng)等傳感器。電源采用5號電池。 

節點(diǎn)參考設計原理圖 

傳感器節點(diǎn)參考設計的電路原理圖如圖2所示。采用CC2420無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片作為傳輸模塊，AVR Mega128作為處理器。圖中不包括具體的傳感器器件，可根據具體的應用添加。由Mega128和CC2420可以實(shí)現IEEE 802.15.4的物理層協(xié)議。

 
圖2 基于IEEE/ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)參考設計電路圖

電路設計主要包括三個(gè)重點(diǎn)部分，即射頻接口電路、處理器接口電路和上層應用接口電路。射頻接口就是CC2420芯片射頻引腳與天線(xiàn)之間的電路。CC2420的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據這一數值進(jìn)行調整。本設計采用50歐姆單極子天線(xiàn)，阻抗匹配電路采用巴倫 (BALUN)。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成(參見(jiàn)圖2)，包括電感L1、L2、L3和電容C3、C4、C5、C6。其中電感L1、L2還為芯片內部的低噪聲放大器和功率放大器提供直流偏置。 

結語(yǔ) 

本文重點(diǎn)討論了基于IEEE 802.15.4/ZigBee標準的WSN的優(yōu)點(diǎn)及其節點(diǎn)設計，低成本、低功耗、應用簡(jiǎn)單的協(xié)議的誕生為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )及大量基于微控制應用提供了互聯(lián)互通的國際標準，不同廠(chǎng)商的微傳感器之間基于統一的標準才能實(shí)現互連組網(wǎng)。開(kāi)放性的產(chǎn)品間的競爭將最終導致傳感器的批量生產(chǎn)并降低成本，從而為推動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的應用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力的契機。