基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，他是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科、高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿研究領(lǐng)域，綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音、震動(dòng)和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)要素。如果說Internet構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，越來越受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，其在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、空間探索、智能家居、工業(yè)控制和其他商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。 

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

　　無線自組網(wǎng)絡(luò)(mobile Ad-Hoc network)是一種由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的，采用無線通信方式、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。其目的是通過動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)，傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點(diǎn)具有持續(xù)的能量供給。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然與無線自組網(wǎng)絡(luò)有著相似之處，但同時(shí)也存在很大的差別。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有上千甚至上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；在通常情況下，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。另外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高的服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是節(jié)點(diǎn)能量的高效使用。這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。

　　綜合而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

　　(1)低速率，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常只需定期傳輸諸如溫度、濕度之類的傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，采集數(shù)據(jù)頻率低；

　　(2)近距離，兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離通常在幾十米到幾百米之間；

　　(3)低功耗，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池，而且分布區(qū)域廣，環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員無法到達(dá)，通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實(shí)的，因此要求節(jié)點(diǎn)具有極低的功耗；

　　(4)網(wǎng)絡(luò)容量大，要求網(wǎng)絡(luò)能夠容納上千甚至上萬的節(jié)點(diǎn)；

　　(5)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)地處復(fù)雜的地理環(huán)境，環(huán)境干擾和能量的耗盡，容易造成節(jié)點(diǎn)故障，因此要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈特性，即動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能；

　　(6)低成本，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，一旦布置到監(jiān)測區(qū)域后，就不再回收，因此要求成本低廉。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

　　針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，世界各大芯片廠商提供了各種硬件及軟件解決方案。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，他們?cè)谠砩鲜窍嗨频模皇遣捎貌煌奈⑻幚砥骰蛘卟煌耐ㄐ艆f(xié)議，比如采用自定義協(xié)議、802.11協(xié)議、ZigBee協(xié)議、藍(lán)牙技術(shù)以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新興的具有自組網(wǎng)功能的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee的技術(shù)特性決定他是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最好解決方案。

　　ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，目前其成員已經(jīng)超過200余家。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟制定了ZigBeeSpecification V1.0，并于2006年11月推出ZigBee-ProSpecification增強(qiáng)版。ZigBee聯(lián)盟日前批準(zhǔn)在最初的規(guī)范中增加功能更強(qiáng)和更具靈活性的ZigBee PRO框架堆棧，其增強(qiáng)功能特別體現(xiàn)在易用性和對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)的支持方面。“ZigBee 2007"版本，將整合2006年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)功能組和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO將最大程度地增強(qiáng)ZigBee的所有功能，并提高易用性和對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)的支持。另外，目前ZigBee聯(lián)盟在最初規(guī)范的基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)可伸縮性，分解片段功能，即分解較長消息以及實(shí)現(xiàn)與其他協(xié)議和系統(tǒng)交互的能力，頻率捷變功能和設(shè)備自動(dòng)尋址管理能力等。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在ZigBee聯(lián)盟的推動(dòng)下，正日趨增強(qiáng)和完善。世界各大知名芯片提供商紛紛推出ZigBee芯片和各自的ZigBee協(xié)議棧。如TI公司的針對(duì)ZigBee技術(shù)的CC2420，CC2430，CC2431芯片系列及Figure 8Wireless ZigBee Protocol Stack協(xié)議棧，F(xiàn)reeScale公司的MC13192，MC13213，MC1322X芯片系列及BeeStack協(xié)議棧。另外，Ember，Jennic和Microchip等公司也紛紛推出了各自的ZigBee解決方案。

　　ZigBee技術(shù)采用IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)制定的物理層和媒體接入控制層作為ZigBee的物理層和媒體接入控制層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架；ZigBee技術(shù)具備強(qiáng)大的設(shè)備互聯(lián)功能，他支持星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Tree)三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，他具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。根據(jù)IEEE 802.15.4規(guī)范，ZigBee采用直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectr-um)技術(shù)，可以工作在3個(gè)頻段，分別是歐洲的868 MHz頻段、美國的915 MHz頻段和全球范圍的2.4 GHz頻段，媒體接入控制層采用載波檢測多址接入沖突避免機(jī)制作為信道訪問方式和完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定加入和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，路徑發(fā)現(xiàn)及維護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)一跳鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)功能，即ZigBee的自組網(wǎng)功能。在應(yīng)用層中加入傳感器數(shù)據(jù)采集及管理功能，就可以搭建一個(gè)完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)的。

　　CC2430是首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz系統(tǒng)單芯片(System On Chip，SOC)，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，芯片延用了以往CC2420的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)收發(fā)器、內(nèi)存和微控制器，在休眠模式時(shí)，整個(gè)芯片的流耗小于0.9μA，集成了定時(shí)器等大量的片上資源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是業(yè)內(nèi)最具盛名的協(xié)議棧之一。

　　雖然ZigBee技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想解決方案，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范圍內(nèi)使用的頻率是2.4 GHz，屬于微波范疇，特點(diǎn)是頻率高、波長短、直線傳播，在傳播方向上幾乎繞不開障礙物，再加上ZigBee節(jié)點(diǎn)的射頻發(fā)射功率非常低，這就導(dǎo)致，ZigBee無線信號(hào)的穿透障礙物能力非常有限。雖然可以通過增加布置ZigBee路由節(jié)點(diǎn)來繞開障礙物，但這將會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的容量以及網(wǎng)絡(luò)的成本，而且有的場合是不允許再布置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技術(shù)和433 MHz的射頻技術(shù)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案。

　　文中的433 MHz射頻部分選用TI公司的CC1100射頻芯片。該芯片體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2～500 kb／s的可編程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四個(gè)頻段，在所有頻段提供-30～10 dBm的輸出功率。文中CC1100工作在433 MHz的頻率上，采用2-FSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為2.4 kb／s，信道間隔為200 kHz。CC1100與單片機(jī)CC2430之間采用SPI接口連接。

　　整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。橢圓部分內(nèi)是基于TI公司的最新ZigBee解決方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack實(shí)現(xiàn)的ZigBee MESH網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)3種設(shè)備，協(xié)調(diào)器又通過433 MHz射頻技術(shù)組成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以將采集到的各種數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁髯缘膮f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)匯總后，再通過433 MHz射頻技術(shù)傳送到星型網(wǎng)匯集器，即整個(gè)系統(tǒng)的管理節(jié)點(diǎn)，然后通過GSM／GPRS技術(shù)，將采集數(shù)據(jù)最終傳送到后臺(tái)管理數(shù)據(jù)庫，后臺(tái)管理終端也可以下發(fā)系統(tǒng)的配置參數(shù)，如終端節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間以及數(shù)據(jù)采集周期等。

　　系統(tǒng)中各種節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2(a)是433 MHz星型網(wǎng)匯集節(jié)點(diǎn)硬件框圖，該節(jié)點(diǎn)以嵌入式控制器AT91RM9200為主控制器，通過SPI接口，控制CC1100，同時(shí)提供GSM／GPRS以及以太網(wǎng)接口用來連接到后臺(tái)管理數(shù)據(jù)庫。圖2(b)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件框圖，該節(jié)點(diǎn)以CC2430為主控制器，既是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，同時(shí)也是433 MHz射頻星型網(wǎng)的子節(jié)點(diǎn)。圖2(b)、圖2(c)分別是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器和終端節(jié)點(diǎn)的硬件框圖，其中終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電。

　　在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，降低功耗是考慮的重中之重。特別是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，由于該節(jié)點(diǎn)往往分布在環(huán)境及其惡劣的區(qū)域內(nèi)，有些區(qū)域甚至人員根本無法到達(dá)，或者不允許布置過多的電纜，如高壓大電流的現(xiàn)場環(huán)境，因此一般采用電池供電，而且由于更換電池的不便性，這就要求節(jié)點(diǎn)具備非常低的功耗。文中的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)出于降低功耗的考慮，硬件方面是選擇低功耗的芯片CC2430，印刷電路板布線也充分考慮了低功耗的要求；同時(shí)在軟件協(xié)議中加入了休眠機(jī)制。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)各種節(jié)點(diǎn)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，ZigBee模塊實(shí)物如圖3中左邊所示，CC1100模塊如圖3中右邊所示?？傮w結(jié)構(gòu)緊湊合理、體積小。在晴朗天氣條件下的空曠地區(qū)，測得ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的有效通信距離可達(dá)120 m，433 MHz射頻模塊的有效傳輸距離可達(dá)400 m；工作在室內(nèi)條件下時(shí)，ZigBee無線信號(hào)可以穿透1堵混凝土墻，433 MHz射頻信號(hào)可以穿透4堵混凝土墻，有效地克服2.4 GHz射頻信號(hào)穿透性差的弱點(diǎn)。在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的電源電路中串聯(lián)接人1 Ω電阻，用示波器測得終端節(jié)點(diǎn)工作過程中，電阻兩端的電壓波形如圖4所示。

　　經(jīng)換算，即得終端節(jié)點(diǎn)在整個(gè)工作過程中的功率消耗情況。當(dāng)MCU處于工作狀態(tài)，射頻模塊處于空閑狀態(tài)時(shí)終端節(jié)點(diǎn)的工作電流為12～13 mA，在射頻模塊處于收發(fā)數(shù)據(jù)的瞬間，整體工作電流為38～40 mA，當(dāng)MCU進(jìn)入休眠模式后，整體工作電流在0.7～1.0μA之間，有效地保證了電池的使用壽命。用設(shè)計(jì)所得的各種節(jié)點(diǎn)組成如圖1所示的測試網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)E1～E3讀取傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，然后進(jìn)入休眠模式，睡眠1 min后，重復(fù)上述過程。

　　協(xié)調(diào)器再通過433 MHz射頻，把數(shù)據(jù)傳送到匯集器，并最終到達(dá)管理數(shù)據(jù)庫。把ZigBee終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到較遠(yuǎn)的地方，使之超出ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，又重新回到網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍后，仍能繼續(xù)工作；關(guān)閉路由器R1，又重新開啟后，終端節(jié)點(diǎn)E2，E3仍能通過R1將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；關(guān)閉路由器R1，只要E2，E3在協(xié)調(diào)器C的視距范圍內(nèi)，E2，E3可以直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

　　以上試驗(yàn)結(jié)果有效地驗(yàn)證了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)良好的自組織和自愈特性。該網(wǎng)絡(luò)至2007年11月，在不更換終端節(jié)點(diǎn)電池的條件下，已連續(xù)穩(wěn)定工作6個(gè)月。由于終端節(jié)點(diǎn)具有極低的功耗，預(yù)計(jì)可以連續(xù)工作更長的時(shí)間。

　　4 結(jié) 語

　　本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和433 MHz射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，終端節(jié)點(diǎn)具有極低的功耗，整體網(wǎng)絡(luò)可以長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作，并且具有良好的自組織、自愈功能，非常適合應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域。