基于ZigBee的通用無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計

引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡作為一種新興技術，已經(jīng)成為國內外研究的熱點，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和救災等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景[1]。國內外很多單位都開展了相關領域的研究，但大部分工作仍處在無線網(wǎng)絡協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設計階段。無線傳感器網(wǎng)絡并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求極低的功率消耗，以使無線傳感器網(wǎng)絡中的設備可工作更長的時間，同時低成本也是無線傳感器普及應用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無線傳感器網(wǎng)絡提供了互連互通的平臺，目前基于該技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關注。本文就是基于ZigBee技術，設計了通用無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺，以期待能夠產(chǎn)業(yè)化，為我國的無線傳感器事業(yè)做出更大的貢獻。

　　基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡的主要優(yōu)勢

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳Z字形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通，人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術，亦包含寓意。ZigBee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟進行了制定。ZigBee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面[2]。

　?、?低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙只能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時。

　?、?低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32 KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。

　?、?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，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。

　?、?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)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　?、?短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

　?、?高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

　?、?協(xié)議簡單、安全性高。ZigBee協(xié)議棧長度平均只有藍牙的1/4，這種簡化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。ZigBee技術提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，提供了三級安全模式，可靈活確定其安全屬性，網(wǎng)絡安全能夠得到有效的保障。

　　⑧ 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段—2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　由上述ZigBee的主要技術特點，可以看出：基于IEEE802.15.4標準，可在數(shù)千個微小的傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調通信。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。與現(xiàn)有的各種無線通信技術相比，ZigBee技術的低功耗、低速率最適合應用于無線傳感器網(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計

　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內。節(jié)點以自組織形式構成網(wǎng)絡，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區(qū)域內的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理。圖1給出了一般形式的無線傳感器網(wǎng)絡體系結構[3]。

　　針對環(huán)境及結構狀態(tài)監(jiān)測，我們設計了一種通用無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節(jié)點、具有無線接收功能的Sink節(jié)點及一臺計算機構成。無線傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的區(qū)域內，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和無線通信等工作，Sink節(jié)點接收各傳感器的數(shù)據(jù)并以有線的方式將數(shù)據(jù)傳送給計算機，如圖2所示。

　無線傳感器節(jié)點的硬件設計

　　無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、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，傳感器模塊負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數(shù)據(jù)處理 模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數(shù)據(jù)傳輸模塊負責與其他節(jié)點或Sink節(jié)點進行無線通信，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)點電源采用微型紐扣電池，以減小節(jié)點的體積。

　　我們設計的節(jié)點實現(xiàn)機理是以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)以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點包含ZigBee無線傳輸模塊、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器等。為了降低傳感器節(jié)點的成本，減小傳感器節(jié)點的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。圖3是設計的無線傳感器節(jié)點的結構框圖。下面將分別介紹無線傳感器節(jié)點中的幾個主要功能模塊。

　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡單，只需要數(shù)量很少而且廉價的外圍元件，即可完成無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據(jù)實際需要選擇不同的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測?？蛇x用了光敏器件、數(shù)字格式傳感器和駐極體話筒，對光強、溫度、振動和聲音等進行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行模數(shù)變換即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器，測量結果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4466構成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進的微型機電系統(tǒng)技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態(tài)測試等領域。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，能夠實現(xiàn)溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現(xiàn)需要進行大量的數(shù)據(jù)處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實現(xiàn)節(jié)點設計的微型化，節(jié)點可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節(jié)點的生存期，若以兩節(jié)5號電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網(wǎng)絡形式工作狀態(tài)下通過合理的設置節(jié)點發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡系統(tǒng)的低功耗設計也是當前值得關注的課題。

阻抗匹配網(wǎng)絡

　　CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進行調整。本設計采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要一個巴倫來完成兩端口到單端口間的轉換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。

Sink節(jié)點的硬件設計

　　無線傳感器網(wǎng)絡內的信息與外部網(wǎng)絡或處理終端間的連接需要通過Sink節(jié)點來實現(xiàn)，Sink節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡與有線設備連接中轉站，負責發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等)，接收下層節(jié)點請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無線傳感器網(wǎng)絡中最重要的一部分。我們設計的Sink 節(jié)點帶有USB數(shù)據(jù)口和RS232數(shù)據(jù)口，兩種數(shù)據(jù)口可以通過開關進行切換，以方便Sink與外部網(wǎng)絡或處理終端間的連接。

　　圖5是我們設計的Sink節(jié)點的結構框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實現(xiàn)兩通道雙向電平轉換，可直接操作CC2430芯片串行數(shù)據(jù)線和控制線。CC2430的外圍電路設計與傳感器節(jié)點相同。

　　結語

　　基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點，可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡技術的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網(wǎng)絡的應用必將從軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災害預測普及到生活中的各個領域。