基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

摘要：文中基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計，分析了ZigBee技術(shù)的優(yōu)點，并將ZigBee技術(shù)與無線傳感技術(shù)結(jié)合起來，詳細介紹了傳感器節(jié)點的硬件基本組成及設(shè)計。經(jīng)驗證，該設(shè)計方法簡單可靠，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；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點；CC2430

0 引言
    目前發(fā)展較成熟的幾大無線通信技術(shù)，往往比較復(fù)雜，不但耗費較多資源，成本也較高，不適于短距離無線通信。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，大大減少資源的浪費，且有很大的發(fā)展前景。
    ZigBee技術(shù)是在IEEE 802．15．4協(xié)議標準的基礎(chǔ)上擴展起來的，是一種短距離、低功耗、低傳輸速率的無線通信技術(shù)。該技術(shù)主要針對低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出，能夠滿足小型化、低成本設(shè)備的無線聯(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無線網(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)三中拓撲結(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種類型的多點接入機制。在沒有使能信標的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，任何時候都允許所有節(jié)點發(fā)送。在使能信標的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點在預(yù)定義的時隙內(nèi)進行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會定期以一個標知為信標幀的超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節(jié)點分配了一個特定的時隙，在該時隙內(nèi)允許節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級幀可能還含有一個公共時隙，在此時隙內(nèi)所有節(jié)點競爭接入信道。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計
    本文采用集成MCU+射頻收發(fā)模塊的SOC設(shè)計方式，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，而且能實現(xiàn)節(jié)點的更微小化和極低的功耗。
1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線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、光強度、加速度及大氣壓力等；數(shù)據(jù)處理單元控制整個節(jié)點的處理操作、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)點進行無線通信、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芯片為核心來設(shè)計傳感器節(jié)點。CC2430芯片是挪威Chipcon公司推出的符合IEEE802．15．4標準ZigBee協(xié)議的Soc解決方案。適合于各種ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命長的應(yīng)用。
    CC2430有兩個串行通信接口USART0和USART1。兩個串口既可以工作于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：8位或9位數(shù)據(jù)；奇校驗、偶校驗或無奇偶校驗；配置起始位和停止位電平；配置LSB(低有效位)或者MSB(高有效位)優(yōu)先傳送；獨立收發(fā)中斷；獨立收發(fā)DMA觸發(fā)；奇偶校驗和幀校驗出錯狀態(tài)。
1．3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
    由于CC2430是無線SOC設(shè)計方案，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現(xiàn)信號的收發(fā)功能。
    在傳感器模塊的設(shè)計上，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)用隨時添加不同的傳感器。RF天線的設(shè)計：CC2430可以使用不同類型的天線，其中偶極子差分天線是最容易接口的，不需要巴倫(網(wǎng)絡(luò)平衡到不平衡轉(zhuǎn)換器)。而且考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗特性，使用差分天線以提供最大范圍。λ／2偶極子天線長度為L=14250／f，f的單位為MHz，L的單位為cm。因此，2450MHz的天線必須是5．8cm，天線每一邊是2．9cm。由于傳感器節(jié)點的功耗很低，所以傳感器節(jié)點可以使用兩節(jié)干電池供電，但在取4V～10V方便的場合，可以提供一個穩(wěn)壓3．3V直流的接口電路，如圖2所示。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信實現(xiàn)
    CC2430仿真器通過USB接口直接連接到電腦和CC2430的ZigBee模塊，完成代碼高速下載、在線調(diào)試、硬件中斷、變量觀察、寄存器觀察等實現(xiàn)節(jié)點硬軟件的在線仿真、調(diào)試、測試。其仿真硬件連接圖如圖3所示。

    通信流程如圖4所示。通過上位機向節(jié)點發(fā)送讀取信息的指令，節(jié)點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，上位機對其數(shù)據(jù)進行分析，再根據(jù)數(shù)據(jù)的正確與否進行處理。

3 結(jié)束語
    本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于CC2430，為RF收發(fā)器實現(xiàn)了無線通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究雖然在國內(nèi)外都取得了很大的發(fā)展，但有些技術(shù)仍有待完善。如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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)點的低功耗問題也有待得到深刻的研究。