基于 IEEE802.15.4的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂俊霞，徐 珂

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，河南南陽 473009)

基于 IEEE802.15.4的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂俊霞，徐 珂

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，河南南陽 473009)

在無線網(wǎng)絡(luò)中引入Zigbee技術(shù)，利用Zigbee無線傳感器并采用Chipcon公司的CC2430芯片和TI公司的CC2430芯片，實(shí)現(xiàn)了短距離范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集及處理。本設(shè)計(jì)具有低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);Zigbee;CC2430芯片

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量分布式智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)，它融合了微電機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)(MCU)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)［1］。通過多功能傳感器點(diǎn)對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由MCU對(duì)信息進(jìn)行處理，由WPAN進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由主控PC系統(tǒng)軟件將千萬個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理及控制。WSN技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，可以廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、工農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害監(jiān)測(cè)及控制等諸多領(lǐng)域。目前，ZigBee技術(shù)具有體積小、無需線纜、可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)多、工作頻段免費(fèi)、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、可互操作、多跳傳遞、拆裝方便等特性，因此十分適合于組建無線網(wǎng)絡(luò)。

1 IEEE802.15.4 協(xié)議及 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 802.15.4 協(xié)議架構(gòu)

IEEE802.15.4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放式系統(tǒng)互連參考模型(OSI)，該規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(＜250 kbps)的無線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成［2］。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1)物理層。物理層采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，可提供27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。IEEE802.15.4定義了2.4 GHz頻段和868/928 MHz頻段兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。物理層的主要功能包括:激

活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測(cè)、信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評(píng)估和收發(fā)數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)鏈路層分為介質(zhì)訪問層MAC和邏輯鏈路控制層LLC。IEEE802.15.4的MAC子層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸;而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，為設(shè)備提供面向連接和無連接的服務(wù)。MAC子層功能具體包括:協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步;支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián);支持無線信道的通信安全;使用CSMA/CA機(jī)制;支持保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制;支持不同設(shè)備的MAC層之間的可靠傳輸。LLC子層功能包括:傳輸可靠性保障和控制、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。

1.2 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無線連接，是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［3］。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄露其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)能在上千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，可完成數(shù)據(jù)的采集、量化、處理、融合及傳輸。

Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn):1)省電。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，Zigbee技術(shù)可以確保2節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。2)可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，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。3)成本低。模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。4)時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。5)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。6)安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。7)通用性強(qiáng)。IEEE802.15.4協(xié)議使Zigbee設(shè)備間的通信成為輕而易舉的事情。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

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

3.1 節(jié)點(diǎn)的組成

如圖3所示，基于Zigbee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由四個(gè)模塊組成:傳感模塊、通信模塊、處理模塊和能量模塊［4］。

傳感模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和傳感器兩部分組成，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將傳感器感應(yīng)得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)提供給處理器進(jìn)行處理;傳感器是由大量各不相同的傳感芯片構(gòu)成，這些傳感芯片可以感應(yīng)很多物理現(xiàn)象，比如熱能、聲音、磁場(chǎng)等，通過將這些傳感元件組合起來，可以廣泛監(jiān)測(cè)周圍的環(huán)境參數(shù)。傳感模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

通信模塊主要由無線信號(hào)的發(fā)射和接收裝置構(gòu)成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

處理模塊主要由存儲(chǔ)器和微處理器兩部分組成，其中存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)待處理的數(shù)據(jù)和程序代碼，微處理器用于控制程序代碼的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的處理。對(duì)于傳感節(jié)點(diǎn)而言，其存儲(chǔ)空間和處理器的處理能力都比較有限。

能量模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，目前主要采用電池進(jìn)行供電。

3.2 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以采用多種方案。本文搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微處理器采用低功耗的MSP430，無線芯片采用TI公司的CC2430芯片，這樣大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。傳感模塊采用集成溫濕度傳感器SHT11。電源模塊采用3 V紐扣電池。節(jié)點(diǎn)的硬件原理框圖如圖4所示。

CC2430是首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz系統(tǒng)單芯片(System On Chip，SOC)，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，芯片延用了以往CC2420的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)收發(fā)器、內(nèi)存和微控制器，在休眠模式時(shí)，整個(gè)芯片的流耗小于0.9 μA，集成了定時(shí)器等大量的片上資源。

SHT11用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度，其工作電壓為0～5.5 V，測(cè)濕精度為±3.0%(RH)，25℃時(shí)測(cè)溫精度為±0.4℃。采用SMD貼片封裝，與處理器的通信電路如圖5所示。SHT11采用兩條串行線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SCK數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和SHT11的通訊同步;DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)10 kΩ的外部上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平。本設(shè)計(jì)中CC2430的引腳P1.1用于DATA，P1.2用于SCK。

3.3 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，軟件部分主要是在網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，它主要由GPRS通信軟件、RF通信軟件、命令行軟件以及任務(wù)管理軟件組成。

考慮到各種需求，我們采用開源的操作系統(tǒng)-Linux。Linux是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)環(huán)境，特別適用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Linux具有完整的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)支持其它多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如PPP協(xié)議棧，使其很容易實(shí)現(xiàn) GPRS撥號(hào)的功能。由于Linux的開源特性，用戶很容易在其基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序。

傳感器節(jié)點(diǎn)上的軟件主要利用匯編和C語言開發(fā)，主要完成的功能是接受傳感單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)上。

4 結(jié)束語

重點(diǎn)討論了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理及其特點(diǎn)，闡述了基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)能夠采集環(huán)境的溫度、濕度，并將采集的數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中傳播。

［1］ 孫利民，李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］ 仇國(guó)慶，楊志龍.基于Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2008(3):7－8.

［3］ 于海斌，曾鵬.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［4］ 任豐原，黃海寧.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.軟件學(xué)報(bào)，2003，14(7):1283－1284.

IEEE802.15.4 of ZigBee-based Wireless Sensor Network Node Design and Its Implementation

LU Jun-xia，XU Ke
(Dept.of Computer Engineering，Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，Henan，China)

Wireless sensor networks is a hot research topic as a sensor technology both at home and abroad.This paper introduces the Zigbee technology and its characteristics，analyzes the IEEE802.15.4 wireless communication protocol.By using the Chipcon CC2430 chip and TI’s CC2430 chip，companies can achieve data acquisition and processing within a short distance.

wireless sensor network;Zigbee;CC2430 chip

TP212

B

1008-9446(2011)02-0057-04

2011-03-23

呂俊霞(1982－)，女，河南焦作人，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。