基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì) - 全文

　引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)成為國內(nèi)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(zāi)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1]。國內(nèi)外很多單位都開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點(diǎn)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。無線傳感器網(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，以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可工作更長的時(shí)間，同時(shí)低成本也是無線傳感器普及應(yīng)用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了互連互通的平臺，目前基于該技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)得到越來越多的關(guān)注。本文就是基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，以期待能夠產(chǎn)業(yè)化，為我國的無線傳感器事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

　　基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳Z字形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f是一種小動物通過簡捷的方式實(shí)現(xiàn)“無線”的溝通，人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含寓意。ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會聚層和高層應(yīng)用規(guī)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(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙只能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時(shí)。

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

　?、?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(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)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(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

　　⑤ 短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)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(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

　?、?協(xié)議簡單、安全性高。ZigBee協(xié)議棧長度平均只有藍(lán)牙的1/4，這種簡化對低成本、可交互性和可維護(hù)性非常重要。ZigBee技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)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(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)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(biāo)準(zhǔn)，可在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)通信。另外，采用接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)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(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率最適合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點(diǎn)，最終借助長距離或臨時(shí)建立的Sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行集中處理。圖1給出了一般形式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[3]。

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　　針對環(huán)境及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測，我們設(shè)計(jì)了一種通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、具有無線接收功能的Sink節(jié)點(diǎn)及一臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和無線通信等工作，Sink節(jié)點(diǎn)接收各傳感器的數(shù)據(jù)并以有線的方式將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，如圖2所示。

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　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強(qiáng)度、加速度和大氣壓力等；數(shù)據(jù)處理 模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)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(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)或Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點(diǎn)電源采用微型紐扣電池，以減小節(jié)點(diǎn)的體積。

　　我們設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點(diǎn)包含ZigBee無線傳輸模塊、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(jié)點(diǎn)的成本，減小傳感器節(jié)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(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。圖3是設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。下面將分別介紹無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的幾個(gè)主要功能模塊。

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　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)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(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)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(zhuǎn)換到主動模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡單，只需要數(shù)量很少而且廉價(jià)的外圍元件，即可完成無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進(jìn)行檢測?？蛇x用了光敏器件、數(shù)字格式傳感器和駐極體話筒，對光強(qiáng)、溫度、振動和聲音等進(jìn)行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的光導(dǎo)管，對光強(qiáng)感應(yīng)靈敏度相當(dāng)高，當(dāng)受到一定波長范圍的光照時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進(jìn)行模數(shù)變換即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強(qiáng)度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器，測量結(jié)果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準(zhǔn)確度為±0.5℃。

　　駐極體話筒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(gòu)成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值A(chǔ)/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達(dá)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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)測試等領(lǐng)域。

　　結(jié)合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度(震動)的準(zhǔn)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(shè)計(jì)中不作精確標(biāo)定；另外對聲音信號的捕獲和復(fù)現(xiàn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，從能量利用和傳感器節(jié)點(diǎn)功能的精簡角度考慮，設(shè)計(jì)中對聲光強(qiáng)弱的探測通過設(shè)定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的微型化，節(jié)點(diǎn)可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節(jié)點(diǎn)的生存期，若以兩節(jié)5號電池供電，則可維持更長的工作時(shí)間，在以網(wǎng)絡(luò)形式工作狀態(tài)下通過合理的設(shè)置節(jié)點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機(jī)狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。針對節(jié)點(diǎn)供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)也是當(dāng)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(fù)載阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個(gè)端口，而天線是單端口，因此需要一個(gè)巴倫來完成兩端口到單端口間的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構(gòu)成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。

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　　Sink節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息與外部網(wǎng)絡(luò)或處理終端間的連接需要通過Sink節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，Sink節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線設(shè)備連接中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等)，接收下層節(jié)點(diǎn)請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的一部分。我們設(shè)計(jì)的Sink 節(jié)點(diǎn)帶有USB數(shù)據(jù)口和RS232數(shù)據(jù)口，兩種數(shù)據(jù)口可以通過開關(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。

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　　圖5是我們設(shè)計(jì)的Sink節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實(shí)現(xiàn)兩通道雙向電平轉(zhuǎn)換，可直接操作CC2430芯片串行數(shù)據(jù)線和控制線。CC2430的外圍電路設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)相同。

　　結(jié)語

　　基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用必將從軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災(zāi)害預(yù)測普及到生活中的各個(gè)領(lǐng)域。

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