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

引言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)成為國(guó)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(guó)內(nèi)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可工作更長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)低成本也是無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了互連互通的平臺(tái)，目前基于該技術(shù)的無(wú)線傳感器網(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(shè)計(jì)了通用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，以期待能夠產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)的無(wú)線傳感器事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

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

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳Z字形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)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(xiàn)“無(wú)線”的溝通，人們借此稱(chēng)呼一種專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)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(huì)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]。

　　① 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。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(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)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(zhuān)利費(fèi)。

　　③ 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(mǎn)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(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

　?、?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。

　　⑥ 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(jiǎn)單、安全性高。ZigBee協(xié)議棧長(zhǎng)度平均只有藍(lán)牙的1/4，這種簡(jiǎn)化對(duì)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(jí)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(guó))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(guò)無(wú)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點(diǎn)，最終借助長(zhǎng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[3]。

　　針對(duì)環(huán)境及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種通用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，該硬件平臺(tái)由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、具有無(wú)線接收功能的Sink節(jié)點(diǎn)及一臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和無(wú)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。

　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　無(wú)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(wú)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?cè)O(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(wú)線方式發(fā)送出去。該節(jié)點(diǎn)包含ZigBee無(wú)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(chǔ)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。下面將分別介紹無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中的幾個(gè)主要功能模塊。