基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量分布式智能傳感器節(jié)點組成的面向任務(wù)的無線個人局域網(wǎng)(WPAN)，它融合了微電機技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式計算機(MCU)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、節(jié)點節(jié)能技術(shù)等多個領(lǐng)域的技術(shù)。通過多功能傳感器點對目標信息進行實時監(jiān)測，由MCU對信息進行處理，由WPAN進行數(shù)據(jù)通信，由主控PC系統(tǒng)軟件將千萬個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析處理及控制。WSN技術(shù)具有廣闊的市場前景，可以廣泛應(yīng)用于國防、反恐、工農(nóng)業(yè)監(jiān)測、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、森林防火、搶險救災(zāi)、工程檢測、智能大廈、危險區(qū)域遠程控制等諸多領(lǐng)域。

另一方面，新興的ZigBee技術(shù)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(luò)，本文將討論一個基于ZigBee技術(shù)的無線應(yīng)變節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器節(jié)點的設(shè)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(shù)中具有極大的潛力。采用在大多數(shù)應(yīng)用可接受的低速率，獨特的節(jié)能管理(信標喚醒/休眠)技術(shù)、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(shù)，可以保障通信與數(shù)據(jù)的安全性。圖所示為嵌入式應(yīng)變傳感器節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，其中內(nèi)嵌了TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線程結(jié)構(gòu)。

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

本設(shè)計為可外接應(yīng)變片的開放式傳感器，應(yīng)變測量傳感器采集應(yīng)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(fù)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(yīng)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(dǎo)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(shè)計中采用的是24位A/D及可編程抗混濾波器。

3. 由于應(yīng)變測量必須根據(jù)需要來現(xiàn)場靈活設(shè)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(yīng)變花計算等，大量復(fù)雜的分析處理都采用(資源有限的嵌入式節(jié)點內(nèi)嵌)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(fù)雜的通信及網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)。為此，設(shè)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(shù)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(wù)，每個中斷都被賦予4個中斷優(yōu)先級中的某一個。設(shè)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(shè)有CRC-16校驗，一個信號強度/數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測/數(shù)字RSSI及品質(zhì)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(shù)也是WPAN技術(shù)中的難點之一。本設(shè)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(yù)警四級管理。

在硬件設(shè)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(luò)的軟件設(shè)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(fù)雜的分析處理都在資源有限的嵌入式節(jié)點內(nèi)完成，因此必須精心設(shè)計面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)Tinyos。Tinyos采用基于雙核4線程架構(gòu)的組件，包括主組件、應(yīng)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(zé)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急來安排系統(tǒng)的工作。本設(shè)計采用了基于優(yōu)先級，兼顧時限和任務(wù)的調(diào)度方式的嵌入式軟件技術(shù)。

此外，鑒于本網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(gòu)，并有針對性地創(chuàng)建新技術(shù)來設(shè)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(wù)調(diào)度、動態(tài)/靜態(tài)時間片輪詢調(diào)度的創(chuàng)新技術(shù)來設(shè)計嵌入式軟件。

中央控制中心PC機系統(tǒng)軟件初步設(shè)計的功能包括以下方面。1. 模塊選擇：應(yīng)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(shè)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(shè)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(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)。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(luò)參數(shù)，收到參數(shù)的節(jié)點保存參數(shù)并加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)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(yù)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(yīng)答許可→傳遞數(shù)據(jù)→檢查通信/數(shù)據(jù)接收質(zhì)量(可能跳傳千百次)→首匯集(路由)父節(jié)點(接力式)功放轉(zhuǎn)發(fā)→再次路由/檢查鏈路質(zhì)量(或由GSM/網(wǎng)關(guān)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(luò)(以上工作在20ms內(nèi)完成)→當(dāng)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(luò)，靜候指令/觸發(fā)工作→“虛擬網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成具有50公里覆蓋范圍的控制系統(tǒng)。