基于CC2430的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監測區域內的大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò )系統，他是當前在國際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科、高度交叉、知識高度集成的前沿研究領(lǐng)域，綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息(如光強、溫度、濕度、噪音、震動(dòng)和有害氣體濃度等物理現象)，并以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最終發(fā)送給觀(guān)察者。傳感器、感知對象和觀(guān)察者構成了傳感器網(wǎng)絡(luò )的3個(gè)要素。如果說(shuō)Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就是將邏輯上的信息世界與客觀(guān)上的物理世界融合在一起，改變人類(lèi)與自然界的交互方式。人們可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò )直接感知客觀(guān)世界，從而極大地擴展現有網(wǎng)絡(luò )的功能和人類(lèi)認識世界的能力。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一項新興的技術(shù)，越來(lái)越受到國內外學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，其在軍事偵察、環(huán)境監測、醫療護理、空間探索、智能家居、工業(yè)控制和其他商業(yè)應用領(lǐng)域展現出了廣闊的應用前景，被認為是將對21世紀產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。 

　　1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )(mobile Ad-Hoc network)是一種由幾十到上百個(gè)節點(diǎn)組成的，采用無(wú)線(xiàn)通信方式、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳移動(dòng)性對等網(wǎng)絡(luò )。其目的是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)，傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節點(diǎn)具有持續的能量供給。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )雖然與無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)相似之處，但同時(shí)也存在很大的差別。傳感器網(wǎng)絡(luò )是集成了監測、控制以及無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò )系統，節點(diǎn)數目更為龐大，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )有上千甚至上萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)；節點(diǎn)分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節點(diǎn)更容易出現故障；環(huán)境干擾和節點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的變化；在通常情況下，大多數網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是固定不動(dòng)的。另外，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的首要設計目標是提供高的服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬利用，其次才考慮節約能源；而傳感器網(wǎng)絡(luò )的首要設計目標是節點(diǎn)能量的高效使用。這也是傳感器網(wǎng)絡(luò )和傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最重要的區別之一。

　　綜合而言，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有如下特點(diǎn)：

　　(1)低速率，傳感器網(wǎng)絡(luò )通常只需定期傳輸諸如溫度、濕度之類(lèi)的傳感器數據，數據量小，采集數據頻率低；

　　(2)近距離，兩個(gè)傳感器節點(diǎn)之間的距離通常在幾十米到幾百米之間；

　　(3)低功耗，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池，而且分布區域廣，環(huán)境復雜，有些區域甚至人員無(wú)法到達，通過(guò)更換電池的方式來(lái)補充能量是不現實(shí)的，因此要求節點(diǎn)具有極低的功耗；

　　(4)網(wǎng)絡(luò )容量大，要求網(wǎng)絡(luò )能夠容納上千甚至上萬(wàn)的節點(diǎn)；

　　(5)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò )地處復雜的地理環(huán)境，環(huán)境干擾和能量的耗盡，容易造成節點(diǎn)故障，因此要求傳感器網(wǎng)絡(luò )具有自組織、自愈特性，即動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能；

　　(6)低成本，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多，一旦布置到監測區域后，就不再回收，因此要求成本低廉。

　　2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現

　　針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，世界各大芯片廠(chǎng)商提供了各種硬件及軟件解決方案。傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統，構成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎平臺。目前，國內外出現了多種傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計實(shí)現方法，他們在原理上是相似的，只是采用不同的微處理器或者不同的通信協(xié)議，比如采用自定義協(xié)議、802.11協(xié)議、ZigBee協(xié)議、藍牙技術(shù)以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新興的具有自組網(wǎng)功能的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò )，是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee的技術(shù)特性決定他是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的最好解決方案。

　　ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，目前其成員已經(jīng)超過(guò)200余家。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟制定了ZigBeeSpecification V1.0，并于2006年11月推出ZigBee-ProSpecification增強版。ZigBee聯(lián)盟日前批準在最初的規范中增加功能更強和更具靈活性的ZigBee PRO框架堆棧，其增強功能特別體現在易用性和對大型網(wǎng)絡(luò )的支持方面。“ZigBee 2007"版本，將整合2006年發(fā)布的標準功能組和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO將最大程度地增強ZigBee的所有功能，并提高易用性和對大型網(wǎng)絡(luò )的支持。另外，目前ZigBee聯(lián)盟在最初規范的基礎上增加了網(wǎng)絡(luò )可伸縮性，分解片段功能，即分解較長(cháng)消息以及實(shí)現與其他協(xié)議和系統交互的能力，頻率捷變功能和設備自動(dòng)尋址管理能力等。ZigBee標準在ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)下，正日趨增強和完善。世界各大知名芯片提供商紛紛推出ZigBee芯片和各自的ZigBee協(xié)議棧。如TI公司的針對ZigBee技術(shù)的CC2420，CC2430，CC2431芯片系列及Figure 8Wireless ZigBee Protocol Stack協(xié)議棧，FreeScale公司的MC13192，MC13213，MC1322X芯片系列及BeeStack協(xié)議棧。另外，Ember，Jennic和Microchip等公司也紛紛推出了各自的ZigBee解決方案。

　　ZigBee技術(shù)采用IEEE 802.15.4-2003標準制定的物理層和媒體接入控制層作為ZigBee的物理層和媒體接入控制層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上規定了網(wǎng)絡(luò )層和應用層框架；ZigBee技術(shù)具備強大的設備互聯(lián)功能，他支持星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和簇狀結構(Tree)三種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，特別是網(wǎng)狀結構，他具有很強的網(wǎng)絡(luò )健壯性和系統可靠性。根據IEEE 802.15.4規范，ZigBee采用直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectr-um)技術(shù)，可以工作在3個(gè)頻段，分別是歐洲的868 MHz頻段、美國的915 MHz頻段和全球范圍的2.4 GHz頻段，媒體接入控制層采用載波檢測多址接入沖突避免機制作為信道訪(fǎng)問(wèn)方式和完全確認的數據傳輸機制，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。網(wǎng)絡(luò )層規定加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )的機制，路徑發(fā)現及維護功能，實(shí)現對一跳鄰居設備的發(fā)現和相關(guān)節點(diǎn)信息的存儲功能，即ZigBee的自組網(wǎng)功能。在應用層中加入傳感器數據采集及管理功能，就可以搭建一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。本文搭建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack協(xié)議棧來(lái)實(shí)現的。

　　CC2430是首款符合ZigBee標準的2.4 GHz系統單芯片(System On Chip，SOC)，適用于各種ZigBee或類(lèi)似ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，包括協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)，芯片延用了以往CC2420的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)收發(fā)器、內存和微控制器，在休眠模式時(shí)，整個(gè)芯片的流耗小于0.9μA，集成了定時(shí)器等大量的片上資源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是業(yè)內最具盛名的協(xié)議棧之一。

　　雖然ZigBee技術(shù)是實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的理想解決方案，但在實(shí)際的工程應用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范圍內使用的頻率是2.4 GHz，屬于微波范疇，特點(diǎn)是頻率高、波長(cháng)短、直線(xiàn)傳播，在傳播方向上幾乎繞不開(kāi)障礙物，再加上ZigBee節點(diǎn)的射頻發(fā)射功率非常低，這就導致，ZigBee無(wú)線(xiàn)信號的穿透障礙物能力非常有限。雖然可以通過(guò)增加布置ZigBee路由節點(diǎn)來(lái)繞開(kāi)障礙物，但這將會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )的容量以及網(wǎng)絡(luò )的成本，而且有的場(chǎng)合是不允許再布置一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技術(shù)和433 MHz的射頻技術(shù)相結合的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方案。

　　文中的433 MHz射頻部分選用TI公司的CC1100射頻芯片。該芯片體積小，功耗低，數據速率支持1.2～500 kb／s的可編程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四個(gè)頻段，在所有頻段提供-30～10 dBm的輸出功率。文中CC1100工作在433 MHz的頻率上，采用2-FSK調制方式，數據速率為2.4 kb／s，信道間隔為200 kHz。CC1100與單片機CC2430之間采用SPI接口連接。

　　整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統結構如圖1所示。橢圓部分內是基于TI公司的最新ZigBee解決方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack實(shí)現的ZigBee MESH網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中包含協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)3種設備，協(xié)調器又通過(guò)433 MHz射頻技術(shù)組成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò )，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)可以將采集到的各種數據通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸到各自的協(xié)調器，協(xié)調器將數據匯總后，再通過(guò)433 MHz射頻技術(shù)傳送到星型網(wǎng)匯集器，即整個(gè)系統的管理節點(diǎn)，然后通過(guò)GSM／GPRS技術(shù)，將采集數據最終傳送到后臺管理數據庫，后臺管理終端也可以下發(fā)系統的配置參數，如終端節點(diǎn)的睡眠時(shí)間以及數據采集周期等。

　　系統中各種節點(diǎn)的硬件結構如圖2所示。圖2(a)是433 MHz星型網(wǎng)匯集節點(diǎn)硬件框圖，該節點(diǎn)以嵌入式控制器AT91RM9200為主控制器，通過(guò)SPI接口，控制CC1100，同時(shí)提供GSM／GPRS以及以太網(wǎng)接口用來(lái)連接到后臺管理數據庫。圖2(b)是ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)的硬件框圖，該節點(diǎn)以CC2430為主控制器，既是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，同時(shí)也是433 MHz射頻星型網(wǎng)的子節點(diǎn)。圖2(b)、圖2(c)分別是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的路由器和終端節點(diǎn)的硬件框圖，其中終端節點(diǎn)采用電池供電。

　　在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的設計中，降低功耗是考慮的重中之重。特別是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的終端節點(diǎn)，由于該節點(diǎn)往往分布在環(huán)境及其惡劣的區域內，有些區域甚至人員根本無(wú)法到達，或者不允許布置過(guò)多的電纜，如高壓大電流的現場(chǎng)環(huán)境，因此一般采用電池供電，而且由于更換電池的不便性，這就要求節點(diǎn)具備非常低的功耗。文中的終端節點(diǎn)設計出于降低功耗的考慮，硬件方面是選擇低功耗的芯片CC2430，印刷電路板布線(xiàn)也充分考慮了低功耗的要求；同時(shí)在軟件協(xié)議中加入了休眠機制。

　　3 實(shí)驗結果

　　系統各種節點(diǎn)的硬件采用模塊化設計，ZigBee模塊實(shí)物如圖3中左邊所示，CC1100模塊如圖3中右邊所示?？傮w結構緊湊合理、體積小。在晴朗天氣條件下的空曠地區，測得ZigBee節點(diǎn)之間的有效通信距離可達120 m，433 MHz射頻模塊的有效傳輸距離可達400 m；工作在室內條件下時(shí)，ZigBee無(wú)線(xiàn)信號可以穿透1堵混凝土墻，433 MHz射頻信號可以穿透4堵混凝土墻，有效地克服2.4 GHz射頻信號穿透性差的弱點(diǎn)。在ZigBee終端節點(diǎn)的電源電路中串聯(lián)接人1 Ω電阻，用示波器測得終端節點(diǎn)工作過(guò)程中，電阻兩端的電壓波形如圖4所示。

　　經(jīng)換算，即得終端節點(diǎn)在整個(gè)工作過(guò)程中的功率消耗情況。當MCU處于工作狀態(tài)，射頻模塊處于空閑狀態(tài)時(shí)終端節點(diǎn)的工作電流為12～13 mA，在射頻模塊處于收發(fā)數據的瞬間，整體工作電流為38～40 mA，當MCU進(jìn)入休眠模式后，整體工作電流在0.7～1.0μA之間，有效地保證了電池的使用壽命。用設計所得的各種節點(diǎn)組成如圖1所示的測試網(wǎng)絡(luò )。組網(wǎng)成功后，終端節點(diǎn)E1～E3讀取傳感器數據，發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，然后進(jìn)入休眠模式，睡眠1 min后，重復上述過(guò)程。

　　協(xié)調器再通過(guò)433 MHz射頻，把數據傳送到匯集器，并最終到達管理數據庫。把ZigBee終端節點(diǎn)移動(dòng)到較遠的地方，使之超出ZigBee網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍，又重新回到網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍后，仍能繼續工作；關(guān)閉路由器R1，又重新開(kāi)啟后，終端節點(diǎn)E2，E3仍能通過(guò)R1將數據發(fā)送給協(xié)調器；關(guān)閉路由器R1，只要E2，E3在協(xié)調器C的視距范圍內，E2，E3可以直接將數據發(fā)送給協(xié)調器。

　　以上試驗結果有效地驗證了ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )良好的自組織和自愈特性。該網(wǎng)絡(luò )至2007年11月，在不更換終端節點(diǎn)電池的條件下，已連續穩定工作6個(gè)月。由于終端節點(diǎn)具有極低的功耗，預計可以連續工作更長(cháng)的時(shí)間。

　　4 結 語(yǔ)

　　本文基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和433 MHz射頻通信技術(shù)實(shí)現了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。實(shí)驗結果表明，終端節點(diǎn)具有極低的功耗，整體網(wǎng)絡(luò )可以長(cháng)時(shí)間連續穩定工作，并且具有良好的自組織、自愈功能，非常適合應用于工業(yè)控制、醫療、智能家居等領(lǐng)域。