基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1 引 言
　　傳感器作為人們感官的延伸,在現(xiàn)代社會(huì)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展,
傳感器正逐漸向智能化、微型化、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本文以溫度傳感器為例, 使用模塊化設(shè)計(jì)思路,
實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),
在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于環(huán)境科學(xué), 為科學(xué)家獲得野外的隨機(jī)數(shù)據(jù)提供方便; 可以應(yīng)用于醫(yī)療健康,
在病人身上安裝一些特殊的傳感器, 醫(yī)生可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)病人的身體情況; 在商業(yè)上, 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和中心主控計(jì)算機(jī)相結(jié)合,
能夠給人們提供更舒適、方便、人性化的家居環(huán)境。
　　普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的CPU模塊都采用TI公司的MSP系列單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗性能，對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)是很重要的。另外它具有8通道12位高精度A/D采樣，可以滿(mǎn)足各種需要的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的應(yīng)用，具有一定的通用性。此外射頻部分采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee[2]協(xié)議的CC2420為核心組成射頻模塊，ZigBee對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是最合適的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信協(xié)議。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
　　2.1 WSN普通節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)
　　無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集起來(lái)并將其發(fā)送到鄰居節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖 1: WSN中普通Sensor Node結(jié)構(gòu)
　　2.2 WSN匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)
　　匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)收集起來(lái)，并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理將其需要的格式發(fā)送給最終監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

圖 2: WSN中匯聚Sink Node結(jié)構(gòu)
　　各部分的具體組成
　　中央處理器CPU部分：
　　由于整個(gè)設(shè)計(jì)要以低功耗為原則，一次選取了業(yè)界公認(rèn)的超低功耗處理器MSP430[6]系列單片機(jī)。
　　TI 公司的MSP430
系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作;其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè);帶60k
Flash ROM存儲(chǔ)器的單片機(jī)可以存儲(chǔ)大量的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集信息還可以方便高效地進(jìn)行在線(xiàn)仿真和編程。MSP430
系列單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V 電壓、1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1mA～400mA
之間，RAM
在節(jié)電模式耗電為0.1mA，等待模式下僅為0.7mA。能耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，節(jié)點(diǎn)必須依靠電池供電。所以采用MSP430F149
是最佳選擇。
　　無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)：
　　采用挪威半導(dǎo)體公司Chipcon 推出的CC2420 是全球首顆符合802.15.4/ZigBee 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz
射頻芯片。CC2420基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術(shù),采用0118μm 工藝。為了保持和ZigBee[4]
標(biāo)準(zhǔn)一致,CC2420
支持250kbps數(shù)據(jù)傳輸率。芯片具有50個(gè)寄存器：33個(gè)控制、狀態(tài)寄存器;15個(gè)命令選通寄存器;2個(gè)先入先出緩存控制寄存器。
　　本設(shè)計(jì)的一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于選取了硬件上支持IEEE
802.15.4/ZigBee協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中的LLC子層，因此這時(shí)我們只需在協(xié)議層上實(shí)現(xiàn)上層的安全層，MAC層和用戶(hù)的應(yīng)用層協(xié)議。下面介紹ZigBee協(xié)議在新一代無(wú)線(xiàn)通信中的特點(diǎn)和對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
　　低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。ZigBee
設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右的使用時(shí)間,這是其它無(wú)線(xiàn)設(shè)備望塵莫及的。
　　成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,并且ZigBee 協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee
也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。