采用MC13192的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案

ZigBee技術(shù)是一種新興的無線通信技術(shù)，以低速率、低功耗、短距離而著稱，是目前研究的熱門技術(shù)。本文簡要介紹了ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，以及基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢；重點(diǎn)介紹了一種采用符合ZigBee技術(shù)的射頻芯片MC13192實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計方案，并對系統(tǒng)硬件接口電路與無線通信軟件流程作了說明。

關(guān)鍵詞 ZigBee技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) MC13192 LPC2138

引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)有許多種（如藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)和超帶寬無線通信技術(shù)等），推動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。但是，在家庭控制、醫(yī)療護(hù)理和工業(yè)監(jiān)測應(yīng)用中不需要很高的帶寬，需要的只是低延遲、低功耗；而如果使用現(xiàn)有的、過于復(fù)雜的無線通信技術(shù)，將非常耗電，占用過多的計算和通信資源。為滿足上述要求，ZigBee技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，把低功耗、低成本作為重要目標(biāo)，主要應(yīng)用于低速傳輸，可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是一個微型嵌入式系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳送，是決定網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。本文采用Freescale公司的ZigBee無線收發(fā)射頻芯片MC13192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138，完成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，給出了軟、硬件設(shè)計方案，并且在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)果分析。

1  ZigBee技術(shù)及其優(yōu)勢

圖1  ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由ZigBee聯(lián)盟與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組來共同制定的，其協(xié)議棧主要由5層體系組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)主要由IEEE 802.15.4的任務(wù)小組完成；網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定；應(yīng)用層的開發(fā)則根據(jù)用戶的應(yīng)用需要對其進(jìn)行開發(fā)，用戶提供機(jī)動、靈活的組網(wǎng)方式。

　　ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

　　功耗低。由于其傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)五號電池就可以維持長達(dá)6個月～2年左右的使用時間。

　　時延短。通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備的時延為30 ms，休眠激活的時延為15 ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15 ms。因此，ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制等應(yīng)用。

　　網(wǎng)絡(luò)容量大。一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和1個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個獨(dú)立而且互相重疊覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

　　安全可靠。采取了碰撞避免策略，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突；采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；還提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證。

　　基于以上特點(diǎn)與優(yōu)勢，ZigBee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將有廣闊的發(fā)展空間。

2  MC13192芯片與LPC2138芯片簡介

　　MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片。其工作頻率是2.405～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個信道，每個信道占用5 MHz的帶寬；采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps。MC13192具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。為了適應(yīng)低功耗的要求，芯片除了接收、發(fā)送和空閑3種工作狀態(tài)外，還有3種低功耗運(yùn)行模式： ①  掉電模式，這種模式下芯片電流小于1 μA；②  睡眠模式， 這種模式下電流在3  μA左右；③  休眠模式，這種模式下下電流約為35 μA。芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為0～4 dBm，接收靈敏度可以達(dá)到-92 dBm，傳輸距離30～70 m。

　　LPC2138芯片是Philips公司推出的一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7微控制器。它具有豐富的片上存儲功能，帶有512 KB嵌入的高速Flash存儲器和32 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM；還帶有多個串行接口，2個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，1個D/A轉(zhuǎn)換器和47個GPIO，以及多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。LPC2138有兩種低功耗模式： 空閑模式和掉電模式。較小的封裝和極低的功耗使其可以理想地與MC13192結(jié)合，作為基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

3  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

　　傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等功能模塊組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集單元負(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)處理單元負(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)傳輸單元負(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)；電源管理單元選通所用到的傳感器。

圖2  傳感器節(jié)點(diǎn)組成框圖

3.1  節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

　　圖3是節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖。電路外圍元器件較少，主要包括6個模塊： LPC2138 MCU模塊、MC13192無線射頻模塊、電源模塊、UART串口模塊、JTAG接口模塊和數(shù)據(jù)采集I/O模塊。LPC2138和MC13192通過SPI總線連接。LPC2138的SPI接口工作在主機(jī)模式，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品剑籑C13192設(shè)為從機(jī)模式。LPC2138通過4線SPI接口對MC13192的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成對MC13192的控制以及數(shù)據(jù)通信。由傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過10位A/D變換后輸入到LPC2138中，LPC2138將傳感器采集的信號經(jīng)過處理后通過MC13192發(fā)射出去。對傳感器的控制信號可以從MC13192的天線接收進(jìn)來，通過SPI傳送到LPC2138上，經(jīng)過其判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上，以實(shí)現(xiàn)對傳感器的控制。MC13192芯片指定的晶振頻率為16 MHz，考慮到晶振對通信質(zhì)量的影響，在制作PCB板時應(yīng)將晶振的位置盡可能地靠近MC13192芯片的XTAL1和XTAL2引腳。電源電路采用兩種方式： 一種是3.6 V干電池；另一種是鈕扣電池，可以根據(jù)需要選用。

圖3  節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

3.2  節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

　　按照硬件電路設(shè)計思路，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方式。軟件模塊包括： 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、UART串口模塊、LPC2138與MC13192連接的SPI模塊、中斷服務(wù)模塊。系統(tǒng)軟件編程的基本思路： 先對SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口進(jìn)行初始化；使能SPI端口、UART端口和A/D；初始化MC13192芯片；開啟接收機(jī)后，即可運(yùn)行任務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。這里簡要給出LPC2138與MC13192之間的SPI通信程序。發(fā)送和接收程序流程如圖4和圖5所示。

void SPIDrvWrite (uint8 u8Addr, uint16 u16Content) {/*SPI寫函數(shù)*/
　　uint8 u8TempValue;
　　MC13192DisableInterrupts();/*禁止MC13192產(chǎn)生中斷請求*/
　　IO1CLR = MC13192_CE;/*使能MC13192 SPI */
　　SSPDR = (uint8)(u8Addr & 0x3f);/*寫入要訪問的6位地址，設(shè)置寫*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);/*等待發(fā)送棧為空*/
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);/*等待狀態(tài)寄存器空閑*/
　　u8TempValue = SSPDR;/*清空地址中的內(nèi)容*/
　　SSPDR = (uint8)(u16Content >> 8);/*寫高字節(jié)*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u8TempValue = SSPDR;
　　SSPDR = (uint8)(u16Content & 0x00FF);/*寫低字節(jié)*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u8TempValue = SSPDR;
　　IO1SET = MC13192_CE;/*禁止MC13192 SPI*/
　　MC13192RestoreInterrupts(); /*恢復(fù)MC13192中斷狀態(tài)*/
}
uint16 SPIDrvRead (uint8 u8Addr) {/*SPI讀函數(shù)*/
　　uint8 u8TempValue;
　　uint16 u16ret;
　　SPIClearRecieveStatReg(); /*清狀態(tài)寄存器*/
　　SPIClearRecieveDataReg();/*清接收數(shù)據(jù)寄存器*/
　　MC13192DisableInterrupts(); /*禁止MC13192產(chǎn)生中斷請求*/
　　IO1CLR = MC13192_CE;/*使能MC13192 SPI */
　　SSPDR = (uint8)((u8Addr & 0x3f) | 0x80);/*寫入要訪問的6位地址，設(shè)置讀*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0); /*等待發(fā)送棧為空*/
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);/*等待狀態(tài)控制器空閑*/
　　u8TempValue = SSPDR;
　　SSPDR = (uint8)0xFF;
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u8TempValue = SSPDR;/*存放高字節(jié)數(shù)據(jù)*/
　　SSPDR = (uint8)0xFF;
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u16ret = SSPDR;/*存放低字節(jié)數(shù)據(jù)*/
　　u16ret=u16ret+u8TempValue*256;/*存放一個完整字*/
　　IO1SET = MC13192_CE;/*禁止MC13192 SPI*/
　　MC13192RestoreInterrupts();/*恢復(fù)MC13192中斷狀態(tài)*/
　　return u16ret;
}

圖4  發(fā)送程序流程　　　　圖5  接收程序流程

3.3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖6為硬件節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。該電路板經(jīng)過仿真調(diào)試應(yīng)用良好，可以實(shí)現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)間的通信；在實(shí)驗(yàn)電路板上設(shè)置了一個LED，可以通過燈的閃爍來指示信息接收的質(zhì)量以及接收的成??；能夠利用串行接口與計算機(jī)進(jìn)行通信，并且可以通過JTAG接口電路進(jìn)行程序的固化。初步的實(shí)驗(yàn)表明： 通信距離基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在空曠地帶以最大功率傳輸，可以以較小誤碼率傳輸60多米。采用1節(jié)電壓為3.6 V、容量為2 100 mAh的干電池供電時，節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作的時間為3～4天。如果使得該節(jié)點(diǎn)始終工作在超低功耗的工作狀態(tài)，則其工作時間可以超過1年，能夠滿足特定應(yīng)用場合對電池壽命的要求。

圖6  硬件節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

結(jié)語

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，以MC13192和LPC2138為核心構(gòu)造的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在功耗、傳輸距離以及無線傳輸速率等性能上都能滿足應(yīng)用要求。在此方案基礎(chǔ)之上，通過移植ZigBee協(xié)議棧，可以構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層及安全層，再配以滿足特定要求的傳感器便可實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。