基于ZigBee通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺的設計

　　引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)成為國內外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和救災等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景[1]。國內外很多單位都開(kāi)展了相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議性能仿真和硬件節點(diǎn)小規模實(shí)驗設計階段。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求極低的功率消耗，以使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的設備可工作更長(cháng)的時(shí)間，同時(shí)低成本也是無(wú)線(xiàn)傳感器普及應用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無(wú)線(xiàn)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。本文就是基于ZigBee技術(shù)，設計了通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，以期待能夠產(chǎn)業(yè)化，為我國的無(wú)線(xiàn)傳感器事業(yè)做出更大的貢獻。

　　基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)勢

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現花粉位置時(shí)，通過(guò)跳Z字形舞蹈來(lái)告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f(shuō)是一種小動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現“無(wú)線(xiàn)”的溝通，人們借此稱(chēng)呼一種專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，亦包含寓意。ZigBee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進(jìn)行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò )層、應用會(huì )聚層和高層應用規范由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定。ZigBee的特點(diǎn)突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個(gè)方面[2]。

　?、?低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙只能工作數周、WiFi只可工作數小時(shí)。

　?、?低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點(diǎn)需要32 KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4 KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費。

　?、?低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數據的應用需求。

　?、?近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　?、?短時(shí)延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms，進(jìn)一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

　?、?高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)；同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。

　?、?協(xié)議簡(jiǎn)單、安全性高。ZigBee協(xié)議棧長(cháng)度平均只有藍牙的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。

　?、?免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段—2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　由上述ZigBee的主要技術(shù)特點(diǎn)，可以看出：基于IEEE802.15.4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。與現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率最適合應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)任意散落在被監測區域內。節點(diǎn)以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼方式將監測數據傳到Sink節點(diǎn)，最終借助長(cháng)距離或臨時(shí)建立的Sink鏈路將整個(gè)區域內的數據傳送到遠程中心進(jìn)行集中處理。圖1給出了一般形式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構[3]。

　　針對環(huán)境及結構狀態(tài)監測，我們設計了一種通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節點(diǎn)、具有無(wú)線(xiàn)接收功能的Sink節點(diǎn)及一臺計算機構成。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無(wú)線(xiàn)通信等工作，Sink節點(diǎn)接收各傳感器的數據并以有線(xiàn)的方式將數據傳送給計算機，如圖2所示。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(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。其中，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；數據傳輸模塊負責與其他節點(diǎn)或Sink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)電源采用微型紐扣電池，以減小節點(diǎn)的體積。

　　我們設計的節點(diǎn)實(shí)現機理是以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)包含ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節點(diǎn)的成本，減小傳感器節點(diǎn)的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現傳感器節點(diǎn)的數據傳輸和處理功能。圖3是設計的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的結構框圖。下面將分別介紹無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)中的幾個(gè)主要功能模塊。

　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個(gè)8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要數量很少而且廉價(jià)的外圍元件，即可完成無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的數據傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據實(shí)際需要選擇不同的傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線(xiàn)等物理信號進(jìn)行檢測?？蛇x用了光敏器件、數字格式傳感器和駐極體話(huà)筒，對光強、溫度、振動(dòng)和聲音等進(jìn)行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長(cháng)范圍的光照時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過(guò)參考電阻分壓后進(jìn)行模數變換即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線(xiàn)式數字溫度傳感器，測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　駐極體話(huà)筒HX034P是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4466構成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進(jìn)的微型機電系統技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車(chē)輛安全和電池供電設備的運動(dòng)狀態(tài)測試等領(lǐng)域。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，能夠實(shí)現溫度、加速度(震動(dòng))的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進(jìn)行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節點(diǎn)功能的精簡(jiǎn)角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過(guò)設定閾值來(lái)給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實(shí)現節點(diǎn)設計的微型化，節點(diǎn)可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類(lèi)電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節點(diǎn)的生存期，若以?xún)晒?號電池供電，則可維持更長(cháng)的工作時(shí)間，在以網(wǎng)絡(luò )形式工作狀態(tài)下通過(guò)合理的設置節點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長(cháng)節點(diǎn)的使用壽命。針對節點(diǎn)供電單元不便于更換的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò )系統的低功耗設計也是當前值得關(guān)注的課題。

　　阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )

　　CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是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)，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個(gè)端口，而天線(xiàn)是單端口，因此需要一個(gè)巴倫來(lái)完成兩端口到單端口間的轉換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長(cháng)的傳輸線(xiàn)。

　　Sink節點(diǎn)的硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內的信息與外部網(wǎng)絡(luò )或處理終端間的連接需要通過(guò)Sink節點(diǎn)來(lái)實(shí)現，Sink節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)設備連接中轉站，負責發(fā)送上層命令(如查詢(xún)、分配ID地址等)，接收下層節點(diǎn)請求和數據，具有數據融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中最重要的一部分。我們設計的Sink節點(diǎn)帶有USB數據口和RS232數據口，兩種數據口可以通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，以方便Sink與外部網(wǎng)絡(luò )或處理終端間的連接。

　　圖5是我們設計的Sink節點(diǎn)的結構框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現傳感器節點(diǎn)的數據傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實(shí)現兩通道雙向電平轉換，可直接操作CC2430芯片串行數據線(xiàn)和控制線(xiàn)。CC2430的外圍電路設計與傳感器節點(diǎn)相同。

　　結語(yǔ)

　　基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有低功耗、低成本、體積小的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境下實(shí)現監測區域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用必將從軍事、環(huán)境監測、醫療保健、空間探索和災害預測普及到生活中的各個(gè)領(lǐng)域。

　　參考文獻：

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