基于ZigBee通用無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺的設計
引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/81637.htm無線傳感器網(wǎng)絡作為一種新興技術(shù),已經(jīng)成為國內(nèi)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(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景[1]。國內(nèi)外很多單位都開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究,但大部分工作仍處在無線網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡提供了互連互通的平臺,目前基于該技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關(guān)注。本文就是基于ZigBee技術(shù),設計了通用無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺,以期待能夠產(chǎn)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(wǎng)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。可以說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(wǎng)絡通信技術(shù),亦包含寓意。ZigBee技術(shù)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(wǎng)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(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。
?、?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(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)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(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),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(wǎng)絡節(jié)點管理,最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。
?、?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(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,提供了三級安全模式,可靈活確定其安全屬性,網(wǎng)絡安全能夠得到有效的保障。
⑧ 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(shù)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(diào)通信。另外,采用接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)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(shù)相比,ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率最適合應用于無線傳感器網(wǎng)絡。
無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計
在無線傳感器網(wǎng)絡中,節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡,通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)[3]。
針對環(huán)境及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測,我們設計了一種通用無線傳感器網(wǎng)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(gòu)成。無線傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi),執(zhí)行數(shù)據(jù)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(jù)并以有線的方式將數(shù)據(jù)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(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)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(jù)轉(zhuǎn)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(jù)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(jù)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(jù);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(jù)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(jù)傳輸和處理功能。圖3是設計的無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)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。
SoC芯片CC2430
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu),在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU,具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路,以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(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非常長的應用。
得益于CC2430的高集成度,其外圍電路非常簡單,只需要數(shù)量很少而且廉價的外圍元件,即可完成無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能,因而大大降低了成本。
傳感器模塊
根據(jù)實際需要選擇不同的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測??蛇x用了光敏器件、數(shù)字格式傳感器和駐極體話筒,對光強、溫度、振動和聲音等進行探測。
光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管,對光強感應靈敏度相當高,當受到一定波長范圍的光照時,其阻值(亮電阻)急劇減小,電流迅速增加,通過參考電阻分壓后進行模數(shù)變換即可獲得光敏電阻的阻值,進而換算出光照強度。
Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器,測量結(jié)果可選用9~12位串行數(shù)據(jù)輸出,測量范圍-55~125℃,在-10~85℃測量準確度為±0.5℃。
駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號,輸出信號經(jīng)MAX4466構(gòu)成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣,處理器的A/D采樣頻率可達200KHz,可捕獲到聲音信號。
ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器,它采用先進的微型機電系統(tǒng)技術(shù),在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器,集成精確的信號處理電路,可測靜態(tài)及動態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態(tài)測試等領(lǐng)域。
結(jié)合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度(震動)的準確測量與探測,光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性,因此在設計中不作精確標定;另外對聲音信號的捕獲和復現(xiàn)需要進行大量的數(shù)據(jù)處理,從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮,設計中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型輸出。
電源模塊
實現(xiàn)節(jié)點設計的微型化,節(jié)點可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10%每月,但額定容量較小,限制了節(jié)點的生存期,若以兩節(jié)5號電池供電,則可維持更長的工作時間,在以網(wǎng)絡形式工作狀態(tài)下通過合理的設置節(jié)點發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài),可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡,新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡系統(tǒng)的低功耗設計也是當前值得關(guān)注的課題。
阻抗匹配網(wǎng)絡
CC2430的射頻信號采用差分方式,其最佳差分負載阻抗是115+j180Ω,阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進行調(diào)整。本設計采用50歐姆單極子天線,由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口,而天線是單端口,因此需要一個巴倫來完成兩端口到單端口間的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構(gòu)成,如圖4所示,包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。
Sink節(jié)點的硬件設計
無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)的信息與外部網(wǎng)絡或處理終端間的連接需要通過Sink節(jié)點來實現(xiàn),Sink節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡與有線設備連接中轉(zhuǎn)站,負責發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等),接收下層節(jié)點請求和數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁和路由選擇功能,是無線傳感器網(wǎng)絡中最重要的一部分。我們設計的Sink節(jié)點帶有USB數(shù)據(jù)口和RS232數(shù)據(jù)口,兩種數(shù)據(jù)口可以通過開關(guān)進行切換,以方便Sink與外部網(wǎng)絡或處理終端間的連接。
圖5是我們設計的Sink節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖,仍然采用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(jù)傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換單元選用MAX 3316芯片,該芯片在2.25~3.0V供電即可實現(xiàn)兩通道雙向電平轉(zhuǎn)換,可直接操作CC2430芯片串行數(shù)據(jù)線和控制線。CC2430的外圍電路設計與傳感器節(jié)點相同。
結(jié)語
基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點,可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出,無線傳感器網(wǎng)絡的應用必將從軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災害預測普及到生活中的各個領(lǐng)域。
參考文獻:
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