基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：提出一種基于ZigBee協(xié)議的用于測量溫度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案，方案中使用CC2530無線芯片和溫度傳感器DS18820搭建了一個基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器充當中心節(jié)點和若干個終端節(jié)點一起，構(gòu)成一個星型網(wǎng)絡(luò)，給出了傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計原理圖及軟件流程圖。實驗證明節(jié)點性能良好、通信可靠，通信距離明顯增大。
關(guān)鍵字：無線傳感網(wǎng)絡(luò)：ZigBee；CC2530；DS18B20

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由安放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊。Z igBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，可用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件組成與設(shè)計
    本文設(shè)計的無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)是由若干個ZigBee終端節(jié)點和一個ZigBee中心節(jié)點(協(xié)調(diào)器)組成，搭建成一個星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點上的溫度傳感器采集環(huán)境溫度信息，協(xié)調(diào)器中心節(jié)點將接收到的信息及時反饋到計算機上，整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 微處理器和溫度傳感器
    CC2530單片機是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE 802．15．4協(xié)議的2．4 GHz無線射頻單片機。最大擁有256 KB的可編程FLASH容量，12個10位精度的A／D轉(zhuǎn)換通道，21個雙向的I／O端口，該款單片機能滿足Z-Stack運行內(nèi)存容量的要求。本文選用DS18B20作為溫度傳感器，能提供9位溫度讀數(shù)、設(shè)置溫度上下限報警值。
1．2 終端節(jié)點硬件組成
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支持平臺。本文設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點硬件組成如圖1所示，主要由CC2530F256片上系統(tǒng)收發(fā)射模塊，電源模塊，下載接口模塊(同時兼顧仿真接口)，傳感器模塊，發(fā)光二極管顯示模塊和獨立
按鍵模塊等組成。
    電源模塊由自鎖開關(guān)、外部電池接口插針、輸出電壓為3．3 V的AMS1117穩(wěn)壓芯片、若干阻容元件組成。本文的調(diào)試系統(tǒng)終端節(jié)點選用3．6 V大容量充電電池，程序下載為JTAG接口。
    傳感器模塊為三位插座接口，分別連接溫度傳感器電源、數(shù)據(jù)和接地管腳。數(shù)據(jù)接口和電源接口直接連接一個5 kΩ的上拉電阻。因為本傳感器終端采用傳感器直接插入方式，線路短，上拉電阻可不用接，如果要測量監(jiān)控環(huán)境惡劣，可用長導(dǎo)線連接傳感器和終端模塊，使發(fā)射模塊處于較良好穩(wěn)定的工作環(huán)境，使處理器正常工作、延長芯片壽命，此時要接上上拉電阻。
    發(fā)光二極管顯示模塊由發(fā)光二極管和分壓電阻組成，用于顯示程序的運行狀態(tài)。
    獨立按鍵模塊，為四角按鍵，模塊帶上拉電阻，按鍵與發(fā)射模塊靈活連接。本終端模塊中包含兩路獨立按鍵電路，一路用于復(fù)位，一路用于程序調(diào)試。
1．3 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件組成
    本文設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成如圖2所示，主要由CC2530發(fā)射系統(tǒng)、電源、下載接口、LCD液晶屏顯示、發(fā)光二極管顯示、獨立按鍵五向?qū)Ш胶蚏S 232串口等模塊等組成。

    協(xié)調(diào)器的電源模塊與終端節(jié)點的基本相同，但因協(xié)調(diào)器要根據(jù)需要不停地查詢網(wǎng)絡(luò)中的信息，因此要外接穩(wěn)定的電源，在終端的電源模塊基礎(chǔ)上增加了外部穩(wěn)壓源接口。協(xié)調(diào)器的下載接口、發(fā)光二極管顯示和獨立按鍵等模塊原理圖與終端節(jié)點一樣，只是LED燈為4只，獨立按鍵增加了3只。
    LCD液晶模塊，為128x64點陣的液晶，數(shù)據(jù)傳輸模式采用SPI總線傳輸。
    RS 232串口模塊是連接單片機與計算機的通信接口，把協(xié)調(diào)器從終端節(jié)點返回的傳感器ID、實時溫度、溫度閾值等信息傳輸?shù)接嬎銠C，由上位機監(jiān)控軟件顯示、分析、存儲。
    五向?qū)Ш桨存I采用A／D讀取模式，有上下左右中間五個方向的鍵值，原理圖如圖3所示。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序
    在網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都有一個64位的物理長地址和一個16位的短地址，短地址用于本網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通信，而長地址則可以與本網(wǎng)絡(luò)之外的其他網(wǎng)絡(luò)進行通信。數(shù)據(jù)傳送采用主從節(jié)點方式，與計算機相連作為主節(jié)點(協(xié)調(diào)器)，其他節(jié)點作為從節(jié)點(終端節(jié)點)，從節(jié)點可以向主節(jié)點發(fā)送中斷請求。
    協(xié)調(diào)器端程序流程如圖4所示，協(xié)調(diào)器上電后，首先進行設(shè)備初始化，包括硬件電路初始化，寄存器初始化，協(xié)議棧初始化，操作系統(tǒng)初始化。然后進入到執(zhí)行操作系統(tǒng)，進入無限循環(huán)的任務(wù)執(zhí)行程序中。

    終端程序的大體流程，終端的初始化過程和協(xié)調(diào)器類似。首先判斷節(jié)點是否加入一個網(wǎng)絡(luò)，如果是，則可以發(fā)送所采集的信息。如果沒有加入網(wǎng)絡(luò)，則判斷是否作為老節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，如果作為老節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，則終端節(jié)點通過保留以前加入網(wǎng)絡(luò)的地址來加入網(wǎng)絡(luò)。如果作為新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，則需要掃描網(wǎng)絡(luò)，然后加入其中最優(yōu)秀的一個網(wǎng)絡(luò)。
2．2 組網(wǎng)
    組網(wǎng)的過程主要如下：
    (1)協(xié)調(diào)器首先上電，完成網(wǎng)絡(luò)的初始化，選擇一個合適的信道，并且為自己的網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN_ID(網(wǎng)絡(luò)標識符)，然后周期的向周圍發(fā)送beacon request的數(shù)據(jù)包。
    (2)再將終端節(jié)點上電，終端節(jié)點會首先向周圍的環(huán)境做一個信道能量掃描選擇一個能量比較合適的信道進行網(wǎng)絡(luò)搜尋。
    (3)當協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點的beacon request數(shù)據(jù)包之后會發(fā)送一個包含自己IEEE MAC地址的超幀。
    (4)終端節(jié)點接收到超幀之后，將協(xié)調(diào)器的MAC地址保存，并利用這個地址向協(xié)調(diào)器發(fā)送一個Association Request的數(shù)據(jù)包，此包目的是尋求加入網(wǎng)絡(luò)。
    (5)當協(xié)調(diào)器接收到Data Request之后，首先經(jīng)過NWK層的算法為其分配一個惟一的網(wǎng)絡(luò)短地址，然后向終端節(jié)點發(fā)送一個包含其網(wǎng)絡(luò)短地址的包，這個包是通過MAC地址發(fā)送的。
    (6)當終端節(jié)點接收到這個包之后，配置自己的短地址為0xXXXX，此時可用這個短地址和協(xié)調(diào)器進行應(yīng)用層的通信，至此終端節(jié)點已經(jīng)成功加入到網(wǎng)絡(luò)。
2．3 數(shù)據(jù)傳輸
    本研究采用了直接尋址(通用單播)，用于設(shè)備間的通信。設(shè)備直接尋址必須知道接收方的短地址或者長地址。
    當節(jié)點接收到一個單播的消息，其APS層就會激活A(yù)PSDE_DATA_indication原語處理消息。如果接收到的是一個確認幀，則APS層應(yīng)該發(fā)送APSDE_DATA。
    Indication原語來接收命令，然后將溫度信息通過APSDE-DATA．request原語發(fā)送回協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器同樣通過APSDE-DATA．indication原語來接收信息。如圖5所示。

3 系統(tǒng)測試
    對網(wǎng)絡(luò)的測試，主要集中于兩個方面：功能測試，如組網(wǎng)，點對點的通信，系統(tǒng)整體測試等；靜態(tài)測試，如節(jié)點的性能指標，程序的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)收發(fā)的正確率等。
3．1 功能測試
    首先將協(xié)調(diào)器程序燒入一個節(jié)點作為協(xié)調(diào)器；將傳感節(jié)點程序燒入幾個節(jié)點作為傳感器終端。經(jīng)系統(tǒng)測試，所有終端都能加入網(wǎng)絡(luò)，并能進行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)，功能測試顯示系統(tǒng)完好。
3．2 節(jié)點測試
3．2．1 無障礙傳輸距離測試
    測試在室外空曠的環(huán)境下進行，打開協(xié)調(diào)器，建立無線網(wǎng)絡(luò)后，再打開一個終端節(jié)點設(shè)備，此設(shè)備作為溫度和電壓信息的參考節(jié)點。最后打開另一個終端節(jié)點，對該節(jié)點加以移動，分別選取5個測試距離，測試移動中該節(jié)點數(shù)據(jù)接收效果，數(shù)據(jù)由計算機保存記錄，測試完畢統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。結(jié)果見表1。

3．2．2 有障礙傳輸距離測試
    測試在室內(nèi)隔墻的環(huán)境下進行測試，步驟與無障礙傳輸距離測試方法一樣。打開協(xié)調(diào)器，建立無線網(wǎng)絡(luò)后，在協(xié)調(diào)器一旁打開一個終端節(jié)點設(shè)備，此設(shè)備作為溫度和電壓信息的參考節(jié)點。最后打開另一個終端節(jié)點，對該節(jié)點加以移動，分別選取5個測試距離，測試移動中該節(jié)點數(shù)據(jù)接收效果，數(shù)據(jù)由上位機軟件保存記錄，測試完畢統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，如表1所示。
    在進行無障礙傳輸距離測試和障礙傳輸距離測試，在有墻相隔的時候信號不強，這與天線設(shè)計有關(guān)，本文終端設(shè)備的天線為PCB天線，如果使用帶桿狀天氣的射頻模塊，接收效果就能夠更好。

4 結(jié)論
    隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用，如環(huán)境的監(jiān)測和保護、醫(yī)療護理、目標跟蹤，本文所采用的基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計方案不失為一種較為高效、節(jié)能、抗干擾能力強的廉價組網(wǎng)方案。提高該無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離、增強網(wǎng)絡(luò)的自愈能力，提高ZigBee和Wi—Fi及其他2．4 GHz系統(tǒng)的共存時的互不干擾能力，將該方案推向工業(yè)現(xiàn)場是今后研究的重點。