基于802.15.4/ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理層設(shè)計(jì)

摘要：    無線傳感網(wǎng)絡(luò)和ZigBee都是目前研究的熱門對象。本文簡要介紹了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢，重點(diǎn)介紹了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的傳感器節(jié)點(diǎn)模型以及可供選擇的幾款傳輸模塊芯片，并給出了一個實(shí)際的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：    無線傳感網(wǎng)絡(luò)；802.15.4；ZigBee節(jié)點(diǎn)；無線傳感器

引言

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(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。

簡介

IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
 
物理層

物理層采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，可提供27個信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。IEEE802.15.4 定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評估，收發(fā)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路層

IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC。IEEE802.15.4的MAC子層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸；而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，給設(shè)備提供面向連接和無連接的服務(wù)。MAC子層功能具體包括：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步；支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持無線信道的通信安全；使用CSMA-CA機(jī)制；支持保護(hù)時隙(GTS)機(jī)制；支持不同設(shè)備的MAC層之間的可靠傳輸。LLC子層功能包括：傳輸可靠性保障和控制；數(shù)據(jù)包的分段與重組；數(shù)據(jù)包的順序傳輸。

傳感器的顯著優(yōu)勢

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可在數(shù)千個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)從一個傳感器傳到另一個傳感器，可使得通信效率非常高。 一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò)。

低功耗、低成本

在基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以由全功能設(shè)備作為Sink節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)一般使用削減功能設(shè)備來降低系統(tǒng)成本和功耗，提高電池使用壽命。

大容量、短時延

單個網(wǎng)絡(luò)中可容納更高密度的節(jié)點(diǎn)。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和1個主設(shè)備，一個區(qū)域可以有100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時存在，特別地能滿足大規(guī)模傳感器陣列的要求。

協(xié)議簡單、高安全性

ZigBee協(xié)議棧長度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11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。

基于IEEE/ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件參考模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(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。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)通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(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)電源由兩節(jié)1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。

本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)理是以IEEE/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)同樣包IEEE/ZigBee無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。

傳感器節(jié)點(diǎn)的各模塊器件選擇

隨著IEEE/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，世界各大無線芯片廠商陸續(xù)推出了支持該標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。這些芯片大都集成了該標(biāo)準(zhǔn)的物理層功能，可作為傳感器節(jié)點(diǎn)的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實(shí)現(xiàn)MAC層功能。