采用MC13192的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

　　ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由ZigBee聯(lián)盟與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組來共同制定的，其協(xié)議棧主要由5層體系組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)主要由IEEE 802.15.4的任務(wù)小組完成；網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定；應(yīng)用層的開發(fā)則根據(jù)用戶的應(yīng)用需要對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，用戶提供機(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。

　　ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

　　功耗低。由于其傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)五號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月～2年左右的使用時(shí)間。

　　時(shí)延短。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備的時(shí)延為30 ms，休眠激活的時(shí)延為15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15 ms。因此，ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制等應(yīng)用。

　　網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)獨(dú)立而且互相重疊覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

　　安全可靠。采取了碰撞避免策略，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；還提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證。

　　基于以上特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，ZigBee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將有廣闊的發(fā)展空間。

2 MC13192芯片與LPC2138芯片簡(jiǎn)介

　　MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片。其工作頻率是2.405～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬；采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps。MC13192具有一個(gè)優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。為了適應(yīng)低功耗的要求，芯片除了接收、發(fā)送和空閑3種工作狀態(tài)外，還有3種低功耗運(yùn)行模式： ① 掉電模式，這種模式下芯片電流小于1 μA；② 睡眠模式， 這種模式下電流在3 μA左右；③ 休眠模式，這種模式下下電流約為35 μA。芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為0～4 dBm，接收靈敏度可以達(dá)到-92 dBm，傳輸距離30～70 m。

　　LPC2138芯片是Philips公司推出的一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7微控制器。它具有豐富的片上存儲(chǔ)功能，帶有512 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器和32 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM；還帶有多個(gè)串行接口，2個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和47個(gè)GPIO，以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。LPC2138有兩種低功耗模式： 空閑模式和掉電模式。較小的封裝和極低的功耗使其可以理想地與MC13192結(jié)合，作為基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等功能模塊組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集監(jiān)視區(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、加速度和大氣壓力等；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理單元選通所用到的傳感器。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)組成框圖