基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

摘要：文中基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，分析了ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并將ZigBee技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)結(jié)合起來(lái)，詳細(xì)介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件基本組成及設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單可靠，功耗小，成本低，適合低速率的傳輸，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)；CC2430

0 引言
    目前發(fā)展較成熟的幾大無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，往往比較復(fù)雜，不但耗費(fèi)較多資源，成本也較高，不適于短距離無(wú)線(xiàn)通信。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺，大大減少資源的浪費(fèi)，且有很大的發(fā)展前景。
    ZigBee技術(shù)是在IEEE 802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展起來(lái)的，是一種短距離、低功耗、低傳輸速率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。該技術(shù)主要針對(duì)低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出，能夠滿(mǎn)足小型化、低成本設(shè)備的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要求，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中。
    ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)三中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種類(lèi)型的多點(diǎn)接入機(jī)制。在沒(méi)有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。在使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會(huì)定期以一個(gè)標(biāo)知為信標(biāo)幀的超級(jí)幀開(kāi)始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)與此幀同步。在這個(gè)超級(jí)幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級(jí)幀可能還含有一個(gè)公共時(shí)隙，在此時(shí)隙內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    本文采用集成MCU+射頻收發(fā)模塊的SOC設(shè)計(jì)方式，這種組合方式的兼容性與芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸可靠性強(qiáng)，而且能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的更微小化和極低的功耗。
1．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成
    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源管理模塊組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集單元用來(lái)采集區(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、加速度及大氣壓力等；數(shù)據(jù)處理單元控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理和任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元用于與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、交換控制消息及收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理單元選通所用到的傳感器。

1．2 CC2430模塊
    本文采用CC2430芯片為核心來(lái)設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)。CC2430芯片是挪威Chipcon公司推出的符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議的Soc解決方案。適合于各種ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括調(diào)諧器、路由器和終端設(shè)備。CC2430模塊采用0．18 um CMOSSE藝生產(chǎn)，工作時(shí)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或者25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命長(zhǎng)的應(yīng)用。
    CC2430有兩個(gè)串行通信接口USART0和USART1。兩個(gè)串口既可以工作于UART(異步通信)模式，也可工作于SPI(同步通信)方式，模式的選擇由串口控制／狀態(tài)寄存器的UOCSR．MODE決定。
    UART模式的操作具有下列特點(diǎn)：8位或9位數(shù)據(jù)；奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無(wú)奇偶校驗(yàn)；配置起始位和停止位電平；配置LSB(低有效位)或者M(jìn)SB(高有效位)優(yōu)先傳送；獨(dú)立收發(fā)中斷；獨(dú)立收發(fā)DMA觸發(fā)；奇偶校驗(yàn)和幀校驗(yàn)出錯(cuò)狀態(tài)。
1．3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    由于CC2430是無(wú)線(xiàn)SOC設(shè)計(jì)方案，其內(nèi)部已集成大量必要的電路，因此只需采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。
    在傳感器模塊的設(shè)計(jì)上，由于CC2430的外設(shè)接口是可配置的，把它的接口用插針引出，可以根據(jù)不同的應(yīng)用隨時(shí)添加不同的傳感器。RF天線(xiàn)的設(shè)計(jì)：CC2430可以使用不同類(lèi)型的天線(xiàn)，其中偶極子差分天線(xiàn)是最容易接口的，不需要巴倫(網(wǎng)絡(luò)平衡到不平衡轉(zhuǎn)換器)。而且考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗特性，使用差分天線(xiàn)以提供最大范圍。λ／2偶極子天線(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=14250／f，f的單位為MHz，L的單位為cm。因此，2450MHz的天線(xiàn)必須是5．8cm，天線(xiàn)每一邊是2．9cm。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗很低，所以傳感器節(jié)點(diǎn)可以使用兩節(jié)干電池供電，但在取4V～10V方便的場(chǎng)合，可以提供一個(gè)穩(wěn)壓3．3V直流的接口電路，如圖2所示。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信實(shí)現(xiàn)
    CC2430仿真器通過(guò)USB接口直接連接到電腦和CC2430的ZigBee模塊，完成代碼高速下載、在線(xiàn)調(diào)試、硬件中斷、變量觀(guān)察、寄存器觀(guān)察等實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)硬軟件的在線(xiàn)仿真、調(diào)試、測(cè)試。其仿真硬件連接圖如圖3所示。

    通信流程如圖4所示。通過(guò)上位機(jī)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取信息的指令，節(jié)點(diǎn)的射頻模塊接收到指令后傳給主控制器，然后主控制器向傳感器發(fā)送命令完成讀取指令，射頻模塊再將它們收集的信息轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再根據(jù)數(shù)據(jù)的正確與否進(jìn)行處理。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于CC2430，為RF收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)通信。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究雖然在國(guó)內(nèi)外都取得了很大的發(fā)展，但有些技術(shù)仍有待完善。如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般工作在惡劣的環(huán)境，要更換電池很難或者是不可能，所以節(jié)點(diǎn)的低功耗問(wèn)題也有待得到深刻的研究。