基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

另一方面，新興的ZigBee技術(shù)具有體積小、無(wú)需線纜、可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)多、工作頻段免費(fèi)、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、可互操作、多跳傳遞、拆裝方便等特性，因此十分適合于組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，本文將討論一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路

2005年6月公布的ZigBee/IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用低數(shù)據(jù)速率(250kbps)來(lái)取代低功耗、低成本和小體積的特性，這使其在所有短程無(wú)線技術(shù)中具有極大的潛力。采用在大多數(shù)應(yīng)用可接受的低速率，獨(dú)特的節(jié)能管理(信標(biāo)喚醒/休眠)技術(shù)、減小占空比(2%)以及數(shù)據(jù)優(yōu)化融合模式，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需電源連線的小型電池供電。通過(guò)采用DSSS編碼、半正弦脈沖形狀的偏移正交相移鍵控調(diào)制、128位加密算法等先進(jìn)技術(shù)，可以保障通信與數(shù)據(jù)的安全性。圖所示為嵌入式應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，其中內(nèi)嵌了TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線程結(jié)構(gòu)。

嵌入式應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖(內(nèi)嵌TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線程結(jié)構(gòu))。

本設(shè)計(jì)為可外接應(yīng)變片的開(kāi)放式傳感器，應(yīng)變測(cè)量傳感器采集應(yīng)變片電橋失衡產(chǎn)生的微伏級(jí)電壓信號(hào)，比其它采集毫伏級(jí)信號(hào)的傳感器要復(fù)雜得多(如溫度、振動(dòng)、煙塵傳感器)，其主要原因是：

1. 橋路電流大于10mA時(shí)應(yīng)變片會(huì)發(fā)熱不穩(wěn)定，因此要求供橋電壓低且高度穩(wěn)定。從而導(dǎo)致產(chǎn)生信號(hào)很小，一般為1με/1μV。

2. 要求可編程信號(hào)調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)達(dá)到千倍左右，并且具有高穩(wěn)定性和超低噪聲特性。本設(shè)計(jì)中采用的是24位A/D及可編程抗混濾波器。

3. 由于應(yīng)變測(cè)量必須根據(jù)需要來(lái)現(xiàn)場(chǎng)靈活設(shè)置測(cè)點(diǎn)數(shù)量、半橋/全橋、靈數(shù)系數(shù)、初始值、加載值、多種應(yīng)變花計(jì)算等，大量復(fù)雜的分析處理都采用(資源有限的嵌入式節(jié)點(diǎn)惹)專用MCU來(lái)完成。

4. 射頻通信必須采用節(jié)能的ZigBee芯片，以實(shí)現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，其內(nèi)嵌的MCU將完成復(fù)雜的通信及網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)。為此，設(shè)計(jì)了4個(gè)定時(shí)器、4組程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(分別提供8、32、64、128kB的閃存空間)、4個(gè)振蕩器(分別為32MHz、32.768kHz晶振，16MHz、32.768Hz RC振蕩器)用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作。用一個(gè)4種功耗狀態(tài)節(jié)能管理器，一個(gè)AES協(xié)調(diào)處理器CSMA/CA、128-AES加密技術(shù)來(lái)提供認(rèn)證和加密，以盡可能少地占用微控制器。中斷控制器有18個(gè)中斷源提供服務(wù)，每個(gè)中斷都被賦予4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中的某一個(gè)。設(shè)計(jì)了一個(gè)可編程看門(mén)狗、兩個(gè)可編程USAT，用于主/從SPI或UART操作。此外，還設(shè)有CRC-16校驗(yàn)，一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度/數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)/數(shù)字RSSI及品質(zhì)指示LQI。

5.無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的生命周期依賴于電池壽命，節(jié)能技術(shù)也是WPAN技術(shù)中的難點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)必須具有射頻通信、信號(hào)調(diào)理器和供橋等三種不同要求的電源，對(duì)低功耗的要求比其它信號(hào)傳感器要高得多。節(jié)點(diǎn)電池靜態(tài)電流為：休眠狀態(tài)30μA，喚醒工作狀態(tài)27~40mA；耗電管理狀態(tài)：100%、66%、33%、更換電池預(yù)警四級(jí)管理。

在硬件設(shè)計(jì)中，考慮到要求1微伏信號(hào)的穩(wěn)定、超低噪聲和抗干擾等綜合因素，需要精心處理射頻與低頻、數(shù)字與模擬、三種電源間分別接地的安排，任何微安級(jí)的地電流干擾都會(huì)使得前功盡棄。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理、射頻通信、節(jié)能、數(shù)據(jù)優(yōu)化處理(使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小化)等大量復(fù)雜的分析處理都在資源有限的嵌入式節(jié)點(diǎn)韌瓿桑因此必須精心設(shè)計(jì)面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)Tinyos。Tinyos采用基于雙核4線程架構(gòu)的組件，包括主組件、應(yīng)用組件、執(zhí)行組件、傳感與程控放大組件、通信組件、硬件抽象組件和電源節(jié)能管理組件。每個(gè)組件內(nèi)封裝了命令處理程序和事件處理程序，它們通過(guò)接口聲明所調(diào)用的命令或外部觸發(fā)的事件兩種方式來(lái)工作。調(diào)度器則負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急來(lái)安排系統(tǒng)的工作。本設(shè)計(jì)采用了基于優(yōu)先級(jí)，兼顧時(shí)限和任務(wù)的調(diào)度方式的嵌入式軟件技術(shù)。

此外，鑒于本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小、傳輸速度250kbps、節(jié)點(diǎn)密度大、突發(fā)性/間歇性信息、低功耗、安全性、并發(fā)性、移動(dòng)性、健壯性、節(jié)能的協(xié)議堆棧，常規(guī)的編程技術(shù)無(wú)法滿足本系統(tǒng)的特殊環(huán)境和要求，必須采用雙核多線程架構(gòu)，并有針對(duì)性地創(chuàng)建新技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。本文中采用了基于優(yōu)先級(jí)的可搶占/不搶占調(diào)度、兼顧時(shí)限/任務(wù)調(diào)度、動(dòng)態(tài)/靜態(tài)時(shí)間片輪詢調(diào)度的創(chuàng)新技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)嵌入式軟件。

中央控制中心PC機(jī)系統(tǒng)軟件初步設(shè)計(jì)的功能包括以下方面。1. 模塊選擇：應(yīng)變模塊、溫度模塊、濕度模塊、荷重計(jì)量模塊、環(huán)保模塊、資產(chǎn)跟蹤模塊、身份識(shí)別模塊、軍事模塊、智能大廈模塊、小區(qū)抄表模塊等；2. 狀態(tài)監(jiān)控設(shè)置：數(shù)據(jù)采集次數(shù)、時(shí)間間隔、事件觸發(fā)采集等；3. 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、查看數(shù)據(jù)等；4. 其它參數(shù)設(shè)置：各種文件名稱、時(shí)間、單位名稱、本次監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)名稱等。

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作原理

首先，各節(jié)點(diǎn)加電，完成自檢功能后，由中央控制中心自動(dòng)找到工作頻率范圍內(nèi)干擾最小的信道，并建立網(wǎng)絡(luò)。其余節(jié)點(diǎn)自動(dòng)找到中心并申請(qǐng)入網(wǎng)。中央控制中心向節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，收到參數(shù)的節(jié)點(diǎn)保存參數(shù)并加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)由于距離/干擾不能直接與中心通信時(shí)，則自動(dòng)向周?chē)?jié)點(diǎn)廣播自身信息，通過(guò)評(píng)價(jià)周?chē)?jié)點(diǎn)到中心的路由信息來(lái)決定使用哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)，從而完成入網(wǎng)過(guò)程。

上述過(guò)程在非人工干預(yù)下自動(dòng)完成(甚至在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)中)組網(wǎng)，然后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集與傳輸：指令/事件觸發(fā)某節(jié)點(diǎn)→采集環(huán)境參數(shù)→放大、濾波、A/D、加密數(shù)據(jù)暫存→綁定(確定發(fā)、收信息目標(biāo)地址)→入網(wǎng)通信受阻→改變路徑/擴(kuò)、變射頻→再次申請(qǐng)入網(wǎng)→應(yīng)答許可→傳遞數(shù)據(jù)→檢查通信/數(shù)據(jù)接收質(zhì)量(可能跳傳千百次)→首匯集(路由)父節(jié)點(diǎn)(接力式)功放轉(zhuǎn)發(fā)→再次路由/檢查鏈路質(zhì)量(或由GSM/網(wǎng)關(guān)上傳至有線網(wǎng))→中央控制中心收集各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)/分析處理→通知某節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制→采集節(jié)點(diǎn)休眠/冬眠/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)(以上工作在20ms內(nèi)完成)→當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)或部分節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，剩余節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成新的網(wǎng)絡(luò)，靜候指令/觸發(fā)工作→“虛擬網(wǎng)絡(luò)管理員”全網(wǎng)巡察……與數(shù)字電臺(tái)無(wú)線遙控遙測(cè)SCADA系統(tǒng)相配合，可構(gòu)成具有50公里覆蓋范圍的控制系統(tǒng)。