基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)
1 無線傳感器網(wǎng)絡的特點
無線自組網(wǎng)絡(mobile Ad-Hoc network)是一種由幾十到上百個節(jié)點組成的，采用無線通信方式、動態(tài)組網(wǎng)的多跳移動性對等網(wǎng)絡。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術，傳輸具有服務質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。
無線傳感器網(wǎng)絡雖然與無線自組網(wǎng)絡有著相似之處，但同時也存在很大的差別。傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大，一個網(wǎng)絡有上千甚至上萬個節(jié)點；節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡拓撲結構的變化；在通常情況下，大多數(shù)網(wǎng)絡節(jié)點是固定不動的。另外，網(wǎng)絡節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要設計目標是提供高的服務質(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)絡的首要設計目標是節(jié)點能量的高效使用。這也是傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡最重要的區(qū)別之一。
綜合而言，無線傳感器網(wǎng)絡具有如下特點：
(1)低速率，傳感器網(wǎng)絡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，兩個傳感器節(jié)點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)絡節(jié)點體積微小，通常攜帶能量有限的電池，而且分布區(qū)域廣，環(huán)境復雜，有些區(qū)域甚至人員無法到達，通過更換電池的方式來補充能量是不現(xiàn)實的，因此要求節(jié)點具有極低的功耗；
(4)網(wǎng)絡容量大，要求網(wǎng)絡能夠容納上千甚至上萬的節(jié)點；
(5)動態(tài)組網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡地處復雜的地理環(huán)境，環(huán)境干擾和能量的耗盡，容易造成節(jié)點故障，因此要求傳感器網(wǎng)絡具有自組織、自愈特性，即動態(tài)組網(wǎng)功能；
(6)低成本，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點多，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)絡的實現(xiàn)
針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點，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)絡節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，構成了無線傳感器網(wǎng)絡的基礎平臺。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計實現(xiàn)方法，他們在原理上是相似的，只是采用不同的微處理器或者不同的通信協(xié)議，比如采用自定義協(xié)議、802.11協(xié)議、ZigBee協(xié)議、藍牙技術以及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，是一種近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee的技術特性決定他是無線傳感器網(wǎng)絡的最好解決方案。
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增強版。ZigBee聯(lián)盟日前批準在最初的規(guī)范中增加功能更強和更具靈活性的ZigBee PRO框架堆棧，其增強功能特別體現(xiàn)在易用性和對大型網(wǎng)絡的支持方面?！癦igBee 2007"版本，將整合2006年發(fā)布的標準功能組和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO將最大程度地增強ZigBee的所有功能，并提高易用性和對大型網(wǎng)絡的支持。另外，目前ZigBee聯(lián)盟在最初規(guī)范的基礎上增加了網(wǎng)絡可伸縮性，分解片段功能，即分解較長消息以及實現(xiàn)與其他協(xié)議和系統(tǒng)交互的能力，頻率捷變功能和設備自動尋址管理能力等。ZigBee標準在ZigBee聯(lián)盟的推動下，正日趨增強和完善。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ZigBee技術的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技術采用IEEE 802.15.4-2003標準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)盟在此基礎上規(guī)定了網(wǎng)絡層和應用層框架；ZigBee技術具備強大的設備互聯(lián)功能，他支持星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和簇狀結構(Tree)三種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，特別是網(wǎng)狀結構，他具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。根據(jù)IEEE 802.15.4規(guī)范，ZigBee采用直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectr-um)技術，可以工作在3個頻段，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制作為信道訪問方式和完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。網(wǎng)絡層規(guī)定加入和離開網(wǎng)絡的機制，路徑發(fā)現(xiàn)及維護功能，實現(xiàn)對一跳鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關節(jié)點信息的存儲功能，即ZigBee的自組網(wǎng)功能。在應用層中加入傳感器數(shù)據(jù)采集及管理功能，就可以搭建一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡。本文搭建的無線傳感器網(wǎng)絡的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack協(xié)議棧來實現(xiàn)的。
CC2430是首款符合ZigBee標準的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)絡節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，芯片延用了以往CC2420的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)收發(fā)器、內(nèi)存和微控制器，在休眠模式時，整個芯片的流耗小于0.9μA，集成了定時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技術是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的理想解決方案，但在實際的工程應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)點的射頻發(fā)射功率非常低，這就導致，ZigBee無線信號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)點來繞開障礙物，但這將會增加網(wǎng)絡的容量以及網(wǎng)絡的成本，而且有的場合是不允許再布置一個網(wǎng)絡節(jié)點的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技術和433 MHz的射頻技術相結合的無線傳感器網(wǎng)絡實現(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CC2430之間采用SPI接口連接。
整個無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)結構如圖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實現(xiàn)的ZigBee MESH網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡中包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點3種設備，協(xié)調(diào)器又通過433 MHz射頻技術組成一個星型網(wǎng)絡，ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點可以將采集到的各種數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?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射頻技術傳送到星型網(wǎng)匯集器，即整個系統(tǒng)的管理節(jié)點，然后通過GSM／GPRS技術，將采集數(shù)據(jù)最終傳送到后臺管理數(shù)據(jù)庫，后臺管理終端也可以下發(fā)系統(tǒng)的配置參數(shù)，如終端節(jié)點的睡眠時間以及數(shù)據(jù)采集周期等。
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系統(tǒng)中各種節(jié)點的硬件結構如圖2所示。圖2(a)是433 MHz星型網(wǎng)匯集節(jié)點硬件框圖，該節(jié)點以嵌入式控制器AT91RM9200為主控制器，通過SPI接口，控制CC1100，同時提供GSM／GPRS以及以太網(wǎng)接口用來連接到后臺管理數(shù)據(jù)庫。圖2(b)是ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件框圖，該節(jié)點以CC2430為主控制器，既是ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，同時也是433 MHz射頻星型網(wǎng)的子節(jié)點。圖2(b)、圖2(c)分別是ZigBee網(wǎng)絡的路由器和終端節(jié)點的硬件框圖，其中終端節(jié)點采用電池供電。
在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計中，降低功耗是考慮的重中之重。特別是ZigBee網(wǎng)絡的終端節(jié)點，由于該節(jié)點往往分布在環(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，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)點具備非常低的功耗。文中的終端節(jié)點設計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；同時在軟件協(xié)議中加入了休眠機制。
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3 實驗結果
系統(tǒng)各種節(jié)點的硬件采用模塊化設計，ZigBee模塊實物如圖3中左邊所示，CC1100模塊如圖3中右邊所示?？傮w結構緊湊合理、體積小。在晴朗天氣條件下的空曠地區(qū)，測得ZigBee節(jié)點之間的有效通信距離可達120 m，433 MHz射頻模塊的有效傳輸距離可達400 m；工作在室內(nèi)條件下時，ZigBee無線信號可以穿透1堵混凝土墻，433 MHz射頻信號可以穿透4堵混凝土墻，有效地克服2.4 GHz射頻信號穿透性差的弱點。在ZigBee終端節(jié)點的電源電路中串聯(lián)接人1 Ω電阻，用示波器測得終端節(jié)點工作過程中，電阻兩端的電壓波形如圖4所示。
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經(jīng)換算，即得終端節(jié)點在整個工作過程中的功率消耗情況。當MCU處于工作狀態(tài)，射頻模塊處于空閑狀態(tài)時終端節(jié)點的工作電流為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MCU進入休眠模式后，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。用設計所得的各種節(jié)點組成如圖1所示的測試網(wǎng)絡。組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點E1～E3讀取傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，然后進入休眠模式，睡眠1 min后，重復上述過程。
協(xié)調(diào)器再通過433 MHz射頻，把數(shù)據(jù)傳送到匯集器，并最終到達管理數(shù)據(jù)庫。把ZigBee終端節(jié)點移動到較遠的地方，使之超出ZigBee網(wǎng)絡覆蓋范圍，又重新回到網(wǎng)絡覆蓋范圍后，仍能繼續(xù)工作；關閉路由器R1，又重新開啟后，終端節(jié)點E2，E3仍能通過R1將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；關閉路由器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。
以上試驗結果有效地驗證了ZigBee無線網(wǎng)絡良好的自組織和自愈特性。該網(wǎng)絡至2007年11月，在不更換終端節(jié)點電池的條件下，已連續(xù)穩(wěn)定工作6個月。由于終端節(jié)點具有極低的功耗，預計可以連續(xù)工作更長的時間。
4 結 語
本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡通信技術和433 MHz射頻通信技術實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡。實驗結果表明，終端節(jié)點具有極低的功耗，整體網(wǎng)絡可以長時間連續(xù)穩(wěn)定工作，并且具有良好的自組織、自愈功能，非常適合應用于工業(yè)控制、醫(yī)療、智能家居等領域。
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