基于MCl3192的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

　　摘要 ZigBee技術(shù)是一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以低速率、低功耗、短距離而著(zhù)稱(chēng)，是目前研究的熱門(mén)技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹了ZigBee技術(shù)體系結構與特點(diǎn)，以及基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)勢;重點(diǎn)介紹了一種采用符合ZigBee技術(shù)的射頻芯片MCl3192實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計方案，井對系統硬件接口電路與無(wú)線(xiàn)通信軟件流程作了說(shuō)明。

　　關(guān)鍵詞 ZigBee技術(shù) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn) MCl3192 LPC2138

　　引 言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合的產(chǎn)物，是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)有許多種(如藍牙技術(shù)、紅外技術(shù)和超帶寬無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等)，推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。但是，在家庭控制、醫療護理和工業(yè)監測應用中不需要很高的帶寬，需要的只是低延遲、低功耗;而如果使用現有的、過(guò)于復雜的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，將非常耗電，占用過(guò)多的計算和通信資源。為滿(mǎn)足上述要求，ZigBee技術(shù)應運而生。ZigBee技術(shù)是一種具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，把低功耗、低成本作為重要目標，主要應用于低速傳輸，可以作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議。

　　傳感器節點(diǎn)是組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本單元，是構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎平臺。ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通常是一個(gè)微型嵌入式系統，完成數據的采集、處理和傳送，是決定網(wǎng)絡(luò )性能的重要因素。本文采用Freescale公司的ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)射頻芯片MCl3192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138，完成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計，給出了軟、硬件設計方案，并且在硬件基礎上進(jìn)行了結果分析。

　　1 ZigBee技術(shù)及其優(yōu)勢

　　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)、靈括的組網(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)射功率儀為1mW，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30ms，休眠激活的時(shí)延為15ms，活動(dòng)設備信道接人的時(shí)延為15ms。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 MCl3192芯片與LPC2138芯片簡(jiǎn)介

　　MCl3192是Freescale公司推出的符合ZigBee標準的射頻芯片。其工作頻率是2.405～2.480GHz，該頻帶劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5MHz的帶寬;采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數據傳輸速率為250kbpes。MCl3192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1μA;②睡眠模式，這種模式下電流在3μA左右;③休眠模式，這種模式下下電流約為35μA。芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為O～4 dBm，接收靈敏度可以達到 92dBm，傳輸距離30～70m。

　　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512KB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lO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町以理想地與MCl3192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。

　　3.1 節點(diǎn)硬件設計

　　圖3是節點(diǎn)的硬件原理圖。電路外圍元器件較少，主要包括6個(gè)模塊：LPC2138 MCU模塊、MCl3192無(wú)線(xiàn)射頻模塊、電源模塊、UART串口模塊、JTAG接口模塊和數據采集I/O模塊。LPC2138和MCl3192通過(guò)SPI總線(xiàn)連接。LPC2138的SPI接口工作在主機模式，是數據傳輸的控制方;MCl3192設為從機模式。LPC2138通過(guò)4線(xiàn)SPI接口對MC13192的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而完成對MCl3192的控制以及數據通信。由傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過(guò)10位A/D變換后輸入到LPC2138中，LPC2138將傳感器采集的信號經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)MC13192發(fā)射出去。對傳感器的控制信號可以從MC13192的天線(xiàn)接收進(jìn)來(lái)，通過(guò)SPI傳送到LPC2138上，經(jīng)過(guò)其判斷處理后通過(guò)GPIO口傳送到傳感器上，以實(shí)現對傳感器的控制。MCl3192芯片指定的晶振頻率為16 MHz，考慮到晶振對通信質(zhì)量的影響，在制作PCB板時(shí)應將晶振的位置盡可能地靠近MCl3192芯片的XTAL1和XTAL2引腳。電源電路采用兩種方式：一種是3.6V干電池;另一種是鈕扣電池，可以根據需要選用。

　　3.2 節點(diǎn)軟件設計

　　按照硬件電路設計思路，軟件采用模塊化結構程序設計方式。軟件模塊包括：數據發(fā)送模塊、數據接收模塊、UART串口模塊、LPC2138與MCl3192連接的SPI模塊、中斷服務(wù)模塊。系統軟件編程的基本思路：先對SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口進(jìn)行初始化;使能SPI端口、UART端口和A/D;初始化MCl3192芯片;開(kāi)啟接收機后，即可運行任務(wù)程序，實(shí)現接收或發(fā)送數據。這里簡(jiǎn)要給出LPC2138與MCl3192之間的SPI通信程序。發(fā)送和接收程序流程如圖4和圖5所示。

　　3.3 實(shí)驗結果

　　圖6為硬件節點(diǎn)實(shí)物圖。該電路板經(jīng)過(guò)仿真調試應用良好，可以實(shí)現多個(gè)節點(diǎn)間的通信;在實(shí)驗電路板上設置了一個(gè)LED，可以通過(guò)燈的閃爍來(lái)指示信息接收的質(zhì)量以及接收的成敗;能夠利用串行接口與計算機進(jìn)行通信，并且可以通過(guò)JTAG接口電路進(jìn)行程序的固化。初步的實(shí)驗表明：通信距離基本達到預期目標，在空曠地帶以最大功率傳輸，可以以較小誤碼率傳輸60多米。采用l節電壓為3.6 V、容量為2l00mAh的干電池供電時(shí)，節點(diǎn)連續工作的時(shí)間為3～4天。如果使得該節點(diǎn)始終工作在超低功耗的工作狀態(tài)，則其工作時(shí)間可以超過(guò)1年，能夠滿(mǎn)足特定應用場(chǎng)合對電池壽命的要求。

　　結語(yǔ)

　　經(jīng)實(shí)驗證明，以MC13192和LPC2138為核心構造的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，在功耗、傳輸距離以及無(wú)線(xiàn)傳輸速率等性能上都能滿(mǎn)足應用要求。在此方案基礎之上，通過(guò)移植ZigBee協(xié)議棧，可以構建ZigBee網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )層、應用層及安全層，再配以滿(mǎn)足特定要求的傳感器便可實(shí)現具體的應用網(wǎng)絡(luò )。