基于ZigBee的無線傳感器網絡硬件設計

引言

　　無線傳感器網絡作為一種新興技術，已經成為國內外研究的熱點，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和救災等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景[1]。國內外很多單位都開展了相關領域的研究，但大部分工作仍處在無線網絡協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設計階段。無線傳感器網絡并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求極低的功率消耗，以使無線傳感器網絡中的設備可工作更長的時間，同時低成本也是無線傳感器普及應用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無線傳感器網絡提供了互連互通的平臺，目前基于該技術的無線傳感器網絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關注。本文就是基于ZigBee技術，設計了通用無線傳感器網絡硬件平臺，以期待能夠產業(yè)化，為我國的無線傳感器事業(yè)做出更大的貢獻。

　　基于ZigBee的無線傳感網絡的主要優(yōu)勢

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳Z字形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通，人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術，亦包含寓意。ZigBee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟進行了制定。ZigBee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面[2]。

　?、?低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙只能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時。

　?、?低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32 KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。

　　③ 低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數(shù)據吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據的應用需求。

　　④ 近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　?、?短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

　?、?高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網。

　?、?協(xié)議簡單、安全性高。ZigBee協(xié)議棧長度平均只有藍牙的1/4，這種簡化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。ZigBee技術提供了數(shù)據完整性檢查和鑒權功能，提供了三級安全模式，可靈活確定其安全屬性，網絡安全能夠得到有效的保障。

　?、?免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段—2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　由上述ZigBee的主要技術特點，可以看出：基于IEEE802.15.4標準，可在數(shù)千個微小的傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調通信。另外，采用接力的方式通過無線電波將數(shù)據從一個傳感器傳到另一個傳感器，可使得通信效率非常高。與現(xiàn)有的各種無線通信技術相比，ZigBee技術的低功耗、低速率最適合應用于無線傳感器網絡。

　　無線傳感器網絡硬件設計

　　在無線傳感器網絡中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內。節(jié)點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據傳到Sink節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區(qū)域內的數(shù)據傳送到遠程中心進行集中處理。圖1給出了一般形式的無線傳感器網絡體系結構[3]。

　　針對環(huán)境及結構狀態(tài)監(jiān)測，我們設計了一種通用無線傳感器網絡硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節(jié)點、具有無線接收功能的Sink節(jié)點及一臺計算機構成。無線傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的區(qū)域內，執(zhí)行數(shù)據采集、處理和無線通信等工作，Sink節(jié)點接收各傳感器的數(shù)據并以有線的方式將數(shù)據傳送給計算機，如圖2所示。

　　無線傳感器節(jié)點的硬件設計

　　無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、數(shù)據處理模塊、數(shù)據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數(shù)據處理 模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數(shù)據傳輸模塊負責與其他節(jié)點或Sink節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點電源采用微型紐扣電池，以減小節(jié)點的體積。

　　我們設計的節(jié)點實現(xiàn)機理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節(jié)點的成本，減小傳感器節(jié)點的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據傳輸和處理功能。圖3是設計的無線傳感器節(jié)點的結構框圖。下面將分別介紹無線傳感器節(jié)點中的幾個主要功能模塊。