基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)

另一方面，新興的ZigBee技術具有體積小、無需線纜、可容納節(jié)點數(shù)多、工作頻段免費、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自動動態(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線網(wǎng)絡，本文將討論一個基于ZigBee技術的無線應變節(jié)點網(wǎng)絡的設計。

基于ZigBee技術的無線傳感器節(jié)點的設計思路

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

嵌入式應變傳感器節(jié)點的內(nèi)部結構框圖(內(nèi)嵌TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線程結構)。

本設計為可外接應變片的開放式傳感器，應變測量傳感器采集應變片電橋失衡產(chǎn)生的微伏級電壓信號，比其它采集毫伏級信號的傳感器要復雜得多(如溫度、振動、煙塵傳感器)，其主要原因是：

1. 橋路電流大于10mA時應變片會發(fā)熱不穩(wěn)定，因此要求供橋電壓低且高度穩(wěn)定。從而導致產(chǎn)生信號很小，一般為1με/1μV。

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

3. 由于應變測量必須根據(jù)需要來現(xiàn)場靈活設置測點數(shù)量、半橋/全橋、靈數(shù)系數(shù)、初始值、加載值、多種應變花計算等，大量復雜的分析處理都采用(資源有限的嵌入式節(jié)點惹)專用MCU來完成。

4. 射頻通信必須采用節(jié)能的ZigBee芯片，以實現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，其內(nèi)嵌的MCU將完成復雜的通信及網(wǎng)絡管理任務。為此，設計了4個定時器、4組程序/數(shù)據(jù)存儲器(分別提供8、32、64、128kB的閃存空間)、4個振蕩器(分別為32MHz、32.768kHz晶振，16MHz、32.768Hz RC振蕩器)用于系統(tǒng)時鐘和定時操作。用一個4種功耗狀態(tài)節(jié)能管理器，一個AES協(xié)調(diào)處理器CSMA/CA、128-AES加密技術來提供認證和加密，以盡可能少地占用微控制器。中斷控制器有18個中斷源提供服務，每個中斷都被賦予4個中斷優(yōu)先級中的某一個。設計了一個可編程看門狗、兩個可編程USAT，用于主/從SPI或UART操作。此外，還設有CRC-16校驗，一個信號強度/數(shù)據(jù)質量檢測/數(shù)字RSSI及品質指示LQI。

5.無線個人局域網(wǎng)的生命周期依賴于電池壽命，節(jié)能技術也是WPAN技術中的難點之一。本設計中的節(jié)點必須具有射頻通信、信號調(diào)理器和供橋等三種不同要求的電源，對低功耗的要求比其它信號傳感器要高得多。節(jié)點電池靜態(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%、更換電池預警四級管理。

在硬件設計中，考慮到要求1微伏信號的穩(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，任何微安級的地電流干擾都會使得前功盡棄。

無線傳感器網(wǎng)絡的軟件設計

由于數(shù)據(jù)采集與信號調(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)等大量復雜的分析處理都在資源有限的嵌入式節(jié)點韌瓿桑因此必須精心設計面向特定應用的操作系統(tǒng)Tinyos。Tinyos采用基于雙核4線程架構的組件，包括主組件、應用組件、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。每個組件內(nèi)封裝了命令處理程序和事件處理程序，它們通過接口聲明所調(diào)用的命令或外部觸發(fā)的事件兩種方式來工作。調(diào)度器則負責根據(jù)任務的輕重緩急來安排系統(tǒng)的工作。本設計采用了基于優(yōu)先級，兼顧時限和任務的調(diào)度方式的嵌入式軟件技術。

此外，鑒于本網(wǎng)絡系統(tǒng)具有以下特點：節(jié)點程序/數(shù)據(jù)存儲量小、傳輸速度250kbps、節(jié)點密度大、突發(fā)性/間歇性信息、低功耗、安全性、并發(fā)性、移動性、健壯性、節(jié)能的協(xié)議堆棧，常規(guī)的編程技術無法滿足本系統(tǒng)的特殊環(huán)境和要求，必須采用雙核多線程架構，并有針對性地創(chuàng)建新技術來設計系統(tǒng)軟件。本文中采用了基于優(yōu)先級的可搶占/不搶占調(diào)度、兼顧時限/任務調(diào)度、動態(tài)/靜態(tài)時間片輪詢調(diào)度的創(chuàng)新技術來設計嵌入式軟件。

中央控制中心PC機系統(tǒng)軟件初步設計的功能包括以下方面。1. 模塊選擇：應變模塊、溫度模塊、濕度模塊、荷重計量模塊、環(huán)保模塊、資產(chǎn)跟蹤模塊、身份識別模塊、軍事模塊、智能大廈模塊、小區(qū)抄表模塊等；2. 狀態(tài)監(jiān)控設置：數(shù)據(jù)采集次數(shù)、時間間隔、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)設置：各種文件名稱、時間、單位名稱、本次監(jiān)測實驗名稱等。

基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡的工作原理

首先，各節(jié)點加電，完成自檢功能后，由中央控制中心自動找到工作頻率范圍內(nèi)干擾最小的信道，并建立網(wǎng)絡。其余節(jié)點自動找到中心并申請入網(wǎng)。中央控制中心向節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡參數(shù)，收到參數(shù)的節(jié)點保存參數(shù)并加入網(wǎng)絡。當某節(jié)點由于距離/干擾不能直接與中心通信時，則自動向周圍節(jié)點廣播自身信息，通過評價周圍節(jié)點到中心的路由信息來決定使用哪個節(jié)點作為其父節(jié)點，從而完成入網(wǎng)過程。

上述過程在非人工干預下自動完成(甚至在節(jié)點移動中)組網(wǎng)，然后開始數(shù)據(jù)采集與傳輸：指令/事件觸發(fā)某節(jié)點→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)、收信息目標地址)→入網(wǎng)通信受阻→改變路徑/擴、變射頻→再次申請入網(wǎng)→應答許可→傳遞數(shù)據(jù)→檢查通信/數(shù)據(jù)接收質量(可能跳傳千百次)→首匯集(路由)父節(jié)點(接力式)功放轉發(fā)→再次路由/檢查鏈路質量(或由GSM/網(wǎng)關上傳至有線網(wǎng))→中央控制中心收集各節(jié)點數(shù)據(jù)/分析處理→通知某節(jié)點執(zhí)行控制→采集節(jié)點休眠/冬眠/離開網(wǎng)絡(以上工作在20ms內(nèi)完成)→當一個節(jié)點或部分節(jié)點失效時，剩余節(jié)點自動組成新的網(wǎng)絡，靜候指令/觸發(fā)工作→“虛擬網(wǎng)絡管理員”全網(wǎng)巡察……與數(shù)字電臺無線遙控遙測SCADA系統(tǒng)相配合，可構成具有50公里覆蓋范圍的控制系統(tǒng)。