基于ZigBee的無線監(jiān)控系統(tǒng)傳感器節(jié)點設(shè)計

近年來，隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展和軍隊裝備信息化的推進，指控系統(tǒng)不斷向大規(guī)模、復雜化、集成化的方向發(fā)展，同時由于戰(zhàn)場條件的日趨復雜，其發(fā)生故障的可能性也隨之增加。面對有大量過程變量的復雜系統(tǒng)，操作和作戰(zhàn)人員很難及時有效地監(jiān)控過程數(shù)據(jù)，分析當前狀態(tài)和診斷過程異常，并采取適當?shù)膽獙Υ胧?。因此，如何提高指控系統(tǒng)的可維護性和安全性逐漸受到了廣泛的關(guān)注。隨著射頻技術(shù)和傳感器產(chǎn)品的進一步發(fā)展， 利用無線傳感器網(wǎng)絡建立的各種監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地解決由環(huán)境中不確定因素變化所引起的問題， 從而減少生產(chǎn)產(chǎn)品的成本， 提高工作效率。

ZigBee技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種無線通信技術(shù)，它具有低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活和抗干擾能力強等優(yōu)點[1]。因此，將基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡應用于指控系統(tǒng)的監(jiān)控方面，能夠降低監(jiān)控系統(tǒng)成本，并且無需布線，根據(jù)無線技術(shù)的特點將傳感器節(jié)點布置于指控設(shè)備的待測空間內(nèi)，還可以采集監(jiān)控到傳統(tǒng)方法無法監(jiān)測到的信號?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ZigBee">ZigBee的傳感器網(wǎng)絡技術(shù)如果配合有線網(wǎng)絡(如以太網(wǎng))或無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)對整個指控系統(tǒng)中各個設(shè)備的實時監(jiān)控，配合無線蜂窩網(wǎng)絡技術(shù)還可以實現(xiàn)手持式通信終端對指控設(shè)備的實時監(jiān)測。因此對無線傳感器網(wǎng)絡的研究具有重要的應用價值。


1 ZigBee技術(shù)概述

由于ZigBee無線通信協(xié)議不僅具有低成本、低功耗、低速率、低復雜度的特點，而且具有可靠性高，組網(wǎng)簡單、靈活的優(yōu)勢，所以結(jié)合實際需要，并與同類無線技術(shù)進行比較后，最終選用了ZigBee這項技術(shù)。

ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標準的短距離無線通信技術(shù)，其兼容的產(chǎn)品工作在IEEE 802.15.4的PHY上頻段是免費開放的，分別為2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。采用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品可以在2.4 GHz頻段上提供250 Kb/s(16個信道)、在915 MHz頻段上提供40 Kb/s(10個信道)和在868 MHz頻段上提供20 Kb/s(1個信道)的傳輸速率[1]。

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。它雖然是基于標準的7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對涉及ZigBee的層予以定義。IEEE 802.15.4-2003標準定義了最下面的2層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層(APL)框架的設(shè)計。其中，應用層的框架包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)及由制造商制定的應用對象[2]。

ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射功率為0~3.6 dBm，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)備可自動調(diào)整其發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量[3]。


2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

根據(jù)某型指控系統(tǒng)裝備地域分布和工作時序所具有的特點，狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通常分為系統(tǒng)層和節(jié)點層2個應用層次。節(jié)點層主要針對車載式指揮控制系統(tǒng)單車分系統(tǒng)或集中在小地域環(huán)境中的系統(tǒng)進行設(shè)計，更大范圍內(nèi)的系統(tǒng)層測試采用上述分系統(tǒng)的無線互連方式作為解決方案，本文主要論述的是節(jié)點層的設(shè)計方案。

在分布測試中，無線監(jiān)控網(wǎng)絡是由在待測目標附近按一定方式布置的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點和1個控制基站組成。每個節(jié)點都連接1個或多個功能模塊，從而具有1種或多種感知能力。本文設(shè)計的傳感器網(wǎng)絡采用分簇結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡由若干個傳感器單元和1個基站構(gòu)成?；咀鳛榫W(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器，負責建網(wǎng)以及設(shè)備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡管理功能，同時搜集傳感器網(wǎng)絡發(fā)送的所有數(shù)據(jù)，建立本地數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)包向控制中心的轉(zhuǎn)發(fā)。傳感器節(jié)點則根據(jù)在網(wǎng)絡中扮演的角色分為終端設(shè)備節(jié)點和路由器節(jié)點。這兩者的區(qū)別是：終端節(jié)點只負責采集信號，發(fā)送至路由器或協(xié)調(diào)器；路由器則不僅要采集設(shè)備信號，而且要收集它的終端子節(jié)點采集到的信號，并將收集的各路信號轉(zhuǎn)發(fā)給基站。圖2給出了監(jiān)控網(wǎng)絡節(jié)點層的結(jié)構(gòu)圖。

實際應用時，在不改變和破壞原設(shè)備連接關(guān)系的基礎(chǔ)上將傳感器節(jié)點置于指控設(shè)備的通信鏈路上，使監(jiān)控模塊的兩端分別連接至待監(jiān)控的設(shè)備A、B，如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集方式根據(jù)指控裝備中數(shù)據(jù)流的大小可分為3種。第1種是基站以廣播形式向各數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送控制指令，要求節(jié)點將測試數(shù)據(jù)以無線的方式回傳至基站。采集節(jié)點接收到命令后，由控制模塊對命令進行解析，若節(jié)點地址與本節(jié)點編號一致，則通過SPI總線讀取由功能模塊采集到的符合基站要求的數(shù)據(jù)，并通過射頻模塊發(fā)送給基站。第2種是定時采集的方式。每隔一段時間，各數(shù)據(jù)采集模塊按照基站的要求，向基站發(fā)送1次實時采集到的數(shù)據(jù)。這2種方式適用于信息流較大的情況。當信息流較小時，可采用中斷查詢的方式。指控裝備中每次傳送的數(shù)據(jù)都會觸發(fā)數(shù)據(jù)采集節(jié)點的中斷，并發(fā)送至基站。


3 傳感器節(jié)點的設(shè)計及其在平臺上的實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 傳感器節(jié)點總體設(shè)計

傳感器節(jié)點的控制和無線通信部分使用Jennic公司的集成化解決方案JN5139芯片。JN5139是IEEE 802.15.4和ZigBee低成本低功耗微控制器，集成了32位RISC處理器、完全兼容的2.4 GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器、192 KB ROM、96 KB RAM以及豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)。它在單芯片內(nèi)集成了用于無線傳感器網(wǎng)絡的收發(fā)器和微控制器，具有成本敏感的ROM/RAM架構(gòu)，能夠滿足批量應用的需要[4]。

各傳感器單元之間及其與基站之間通過無線通信的方式傳輸，傳感器節(jié)點采用2.4 GHz的免費頻段。無線傳感器網(wǎng)絡由許多功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。傳感器節(jié)點由功能模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器)組成。功能模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；控制模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；通信模塊負責與協(xié)調(diào)器或路由器進行通信，交換控制信息和發(fā)送采集數(shù)據(jù)；供電模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點的布置方式、定位方法、通信手段往往是相同的，僅僅是節(jié)點由于連接了不同類型的傳感器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備而導致節(jié)點感知能力的差異。因此，將測試單元設(shè)計成功能模塊，并與控制和通信模塊相連接就可以根據(jù)測試任務的需要對其方便地添加和刪除。傳感器節(jié)點總體設(shè)計圖如圖4所示。

3.1.2 SPI總線設(shè)計

節(jié)點中控制模塊和各功能模塊的控制器件都集成了SPI接口，他們的數(shù)據(jù)交互是通過SPI總線完成的。當基站發(fā)出命令時，節(jié)點中的控制模塊進行判斷并轉(zhuǎn)發(fā)給功能模塊，功能模塊上報給基站的數(shù)據(jù)也需要通過控制模塊進行仲裁并打包發(fā)送。

SPI可以作為主器件或從器件，并支持在同一總線上連接多個從器件和主器件。SPI接口包含1個從選擇信號（SS），用于選擇SPI為從器件；當SPI作為主器件時，可以用額外的通用I/O端口作為從選擇輸出。

只有SPI主器件能啟動數(shù)據(jù)傳輸。當處于主方式時，向SPI數(shù)據(jù)寄存器寫入1個字節(jié)將啟動1次數(shù)據(jù)傳輸。SPI主器件立即在SPIMOSI線上串行移出數(shù)據(jù)，同時在SPISCK上提供串行時鐘。在全雙工操作中，SPI主器件在SPIMOSI線上向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)，被尋址的從器件可以同時在SPIMOSI線上向主器件發(fā)送其移位寄存器中的內(nèi)容。所接收到的來自從器件的數(shù)據(jù)替換主器件數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。2個方向上的數(shù)據(jù)傳輸由主器件產(chǎn)生的串行時鐘同步。當SPI被使能而未被配置為主器件時，它將作為從器件工作。另1個SPI主器件通過將其SS信號驅(qū)動為低電平啟動1次數(shù)據(jù)傳輸。主器件用其串行時鐘將移位寄存器中的數(shù)據(jù)移出到SPIMOSI引腳。從器件可以通過寫SPI數(shù)據(jù)寄存器為下一次數(shù)據(jù)傳輸裝載它的移位寄存器。從器件必須在主器件開始下一次數(shù)據(jù)傳輸之前至少1個SPI串行時鐘寫數(shù)據(jù)寄存器；否則，已經(jīng)位于從器件移位寄存器中數(shù)據(jù)字節(jié)將被發(fā)送。傳感器節(jié)點中JN5139與外圍功能模塊基于SPI總線的連接關(guān)系如圖5所示。

3.2 軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點程序主要實現(xiàn)接收并轉(zhuǎn)發(fā)基站的命令、與功能模塊進行交互、上報功能模塊采集到的數(shù)據(jù)等功能。在網(wǎng)絡中，每個傳感器節(jié)點都分配有地址，基站以廣播的形式發(fā)送指令后，各個節(jié)點上的主控制器都對其進行解析，若地址與本節(jié)點相同，則進一步分析出功能模塊的編號并通過SPI總線進行轉(zhuǎn)發(fā)，功能模塊在收到命令后，由協(xié)處理器進行再次解析，將指定數(shù)據(jù)上報。

3.2.1 建立ZigBee網(wǎng)絡

建立1個網(wǎng)絡首先需要對每1個設(shè)備IEEE 802.15.4協(xié)議棧的PHY和MAC層進行初始化，然后創(chuàng)建本網(wǎng)絡的PAN Co-ordinator，每1個網(wǎng)絡有且只能有1個PAN Co-ordinator，建立網(wǎng)絡的第1個步驟就是選擇并且初始化這個Co-ordinator。PAN Co-ordinator一旦初始化完成就必須為它的網(wǎng)絡選定1個PAN ID作為網(wǎng)絡的標識，PAN ID可以被人為地預定義，也可以通過偵聽其他網(wǎng)絡的ID然后選擇1個不會沖突的ID的方式來獲取。每1個PAN Co-ordinator設(shè)備都已經(jīng)具有了1個唯一的、固定的64 bit IEEE MAC地址，通常稱為擴展地址。但是作為組網(wǎng)的標識它還必須分配給自己1個16 bit的網(wǎng)絡地址，通常稱之為短地址。使用短地址進行通訊可以使網(wǎng)絡通訊更輕量級且更高。這一短地址是預先定義好的，PAN Co-ordinator的短地址通常被定義為0x0000。

PAN Co-ordinator必須選擇1個網(wǎng)絡所建立的射頻頻率通道。它可以通過進行1次能量掃描檢測來找到1個相對安靜的通道。通過通道能量掃描檢測，API將返回每一個通道的能量水平，能量水平高就標志著這個通道的無線信號比較活躍。接下來PAN Co-ordinator就可以根據(jù)這些信息選擇1個可以利用的通道來建立自己的無線網(wǎng)絡。

完成上述工作后，PAN Co-ordinator就將開放對于加入網(wǎng)絡的請求應答。一旦網(wǎng)絡中出現(xiàn)了可以利用的Co-ordinator，其他的網(wǎng)絡設(shè)備就可以加入網(wǎng)絡了。1個準備加入網(wǎng)絡的設(shè)備在完成初始化之后，需要通過頻道掃描找到PAN Co-ordinator，并在特定的頻率通道中發(fā)送信標請求。當PAN Co-ordinator檢測到信標請求后，Co-ordinator將回應相應的信標來向設(shè)備標識自己，既而判斷是否有足夠的資源接受新的設(shè)備，并且決定是否接受和拒絕設(shè)備加入網(wǎng)絡。如果PAN Co-ordinator接收了設(shè)備，它將發(fā)送1個16 bit的短地址給設(shè)備，作為設(shè)備在網(wǎng)絡中的標識[5-6]。ZigBee網(wǎng)絡的建立過程如圖6所示。

3.2.2 ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)設(shè)備之間的傳輸數(shù)據(jù)

當網(wǎng)絡中出現(xiàn)了PAN Co-ordinator和至少1個端節(jié)點設(shè)備后，網(wǎng)絡就可以進行數(shù)據(jù)傳輸了。Co-ordinator向端節(jié)點設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時，有直接傳輸和間接傳輸2種方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：

(1)直接傳輸：PAN Co-ordinator可以將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給端節(jié)點設(shè)備，當端節(jié)點設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后就可以發(fā)送確認消息給Co-ordinator。這種數(shù)據(jù)傳輸方式要求端節(jié)點設(shè)備隨時都處于數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)，也就是要求其隨時都要處于喚醒的狀態(tài)。

(2)間接傳輸：這種傳輸方式就是Co-ordinator可以將數(shù)據(jù)保存起來等待端節(jié)點設(shè)備請求讀取數(shù)據(jù)。采用這種方式時，端節(jié)點設(shè)備為了獲得數(shù)據(jù)必須先要發(fā)送數(shù)據(jù)請求。發(fā)送數(shù)據(jù)請求后，Co-ordinator就會判斷是否有需要發(fā)送給這個設(shè)備的數(shù)據(jù)，如果有就發(fā)送相應的數(shù)據(jù)給端節(jié)點設(shè)備。接到數(shù)據(jù)的設(shè)備將發(fā)送確認信息。這一方式適用于端節(jié)點設(shè)備需要較低功耗的情況，其大部分的工作狀態(tài)都處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。上述數(shù)據(jù)傳輸方式如圖7所示。

端節(jié)點設(shè)備向Co-ordinator傳輸數(shù)據(jù)時，通常采用直接發(fā)送的方式，Co-ordinator接到數(shù)據(jù)后可以發(fā)送確認信息[5-6]。

3.2.3 SPI總線數(shù)據(jù)傳輸[7-10]

JN5139支持從16 MHz到250 kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，SPICLK時鐘的相位和極性都是可配置的。時鐘極性控制SCLK在空閑時置高還是置低(也就決定了傳輸中第1個時鐘邊沿的極性)，時鐘的相位決定了JN5139在時鐘周期SPICLK的哪個邊沿采樣SPIMOSI線上的數(shù)據(jù)。

基于SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸由vAHI_SpiConfigure()函數(shù)進行配置，從設(shè)備的選擇由vAHI_SpiSelect()函數(shù)完成。當處于主方式時，向SPI數(shù)據(jù)寄存器寫入1個字節(jié)將啟動1次數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)用vAHI_SpiStartTransferxx(xx代表8、16或32 bit)開始1次傳輸過程，數(shù)據(jù)被放入數(shù)據(jù)寄存器并立即在SPIMOSI上串行移出，同時產(chǎn)生時鐘信號SPICLK。在全雙工操作中，SPI主器件在MOSI線上向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)，被尋址的從器件可以同時在MISO線上向主器件發(fā)送其移位寄存器中的內(nèi)容，所接收到的來自從器件的數(shù)據(jù)替換主器件數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。在這一傳輸過程中，用u32AHI_SpiReadTransferxx(xx代表8、16或32 bit)進行數(shù)據(jù)的讀取。由于從處理器作為從機不會產(chǎn)生移位時鐘脈沖，主機接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)時，協(xié)處理器的數(shù)據(jù)傳輸必須依靠主控制器的配合。從處理器有數(shù)據(jù)需要傳輸時，會產(chǎn)生1個低電平的呼叫信號，準備啟動1次通信過程。主控制器響應后，會拉低SS引腳，并在SPIMOSI引腳上輸出1個字節(jié)無效數(shù)據(jù)，從而在SPICLK線上產(chǎn)生時鐘脈沖，將1個字節(jié)數(shù)據(jù)通過SPIMISO引腳送入主控制器[4，7]。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖8所示。

無線傳感器網(wǎng)絡是一項新興的信息技術(shù)，傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設(shè)計對無線傳感器網(wǎng)絡有著至關(guān)重要的作用。本文提出的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的指控裝備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，用較為先進的ZigBee無線通信技術(shù)代替了傳統(tǒng)的有線通信。它采用ZigBee分簇式拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對指控系統(tǒng)中各指控裝備狀態(tài)信息的實時采集、處理和分析，大大提高了系統(tǒng)的可擴展性和移動性，達到了低功耗、自組網(wǎng)，監(jiān)控靈活方便的技術(shù)要求，具有較為重要的應用價值。