基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

摘 要 傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位.本文通過對傳感器硬件節(jié)點的分析，以射頻芯片CC2530為核心，設(shè)計了一種基于CC2530單片機的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 硬件節(jié)點 CC2420 MSP430

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備實現(xiàn)任何時間、任何地點及任何物體的連結(jié)，達到智能化識別和管理；物聯(lián)網(wǎng)整合了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理等技術(shù)，主要通過無線傳感、射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位、傳感器等技術(shù)，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，從而給物體賦予智能，實現(xiàn)了物與物、人與物的互聯(lián)，實現(xiàn)了物理世界與信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)、通信網(wǎng)和應(yīng)用系統(tǒng)的有機組合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）作為物聯(lián)網(wǎng)的組成部分，綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無線通信技術(shù)，是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文使用模塊化設(shè)計思路，實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信；每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。

每個Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以對對象監(jiān)控，例如連接傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料；除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點（RFD）無線連接。

每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD和RFD）可以支持多到31個的傳感器和受控設(shè)備，每一個傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式?？梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。

ZigBee協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的具有以下特點和優(yōu)勢：

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)備僅靠兩節(jié)5 號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(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)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

安全性高：ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點組成的，它們能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理。傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。節(jié)點不僅完成采集信息、融合并傳送數(shù)據(jù)的功能，節(jié)點中的電源模塊還負責(zé)節(jié)點的驅(qū)動，是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一般來說，一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點以及傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，如圖1所示。其中，傳感器節(jié)點具有本地數(shù)據(jù)采集傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)鄰節(jié)點數(shù)據(jù)的雙重功能，可以在后臺管理軟件和傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的控制下采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳路由傳輸?shù)絺鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點；傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的中心，具有協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的作用，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置、管理和數(shù)據(jù)的匯集，并負責(zé)與用戶PC機后臺管理軟件的通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有兩種應(yīng)用模式：主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網(wǎng)關(guān)節(jié)點對各個傳感器節(jié)點進行主動的輪詢以獲得消息；而被動模式則要求在某個傳感器節(jié)點事件發(fā)生時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點能作出及時的響應(yīng)。各個傳感器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)還能進行組合，這也很大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的效率。當(dāng)然這也要求傳感器節(jié)點要具有一定的計算能力。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點具有端節(jié)點和路由的功能：一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點往往個數(shù)有限，而且能量常常能夠得到補充；網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式（如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等）與外界通信。而傳感器節(jié)點數(shù)目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量；傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，那么該節(jié)點就不能進行數(shù)據(jù)采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。具體應(yīng)用不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計也不盡相同，但是其基本結(jié)構(gòu)是一樣的。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件一般包括處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元、電源供應(yīng)單元和其他擴展單元，如圖2所示。其中，處理單元負責(zé)控制傳感器節(jié)點的操作以及數(shù)據(jù)的存儲和處理；傳感采集單元負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集；無線傳輸單元負責(zé)節(jié)點間的無線通信；電源供應(yīng)單元負責(zé)為節(jié)點供電。傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能更多，除包含上述功能單元以外，還包含與后臺監(jiān)控通信的接口單元。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計要求如下：

（1）可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時要具備一定的抗干擾力。2.4GHZ頻段是IEEE 502.15.4定義的工作在ISM頻段的兩個工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。

（2）體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。Zigbee技術(shù)較其它無線技術(shù)的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有較高的性價比。

（3）可靠性。與有線傳輸介質(zhì)相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，Zigbee網(wǎng)絡(luò)是工作在2.4GHZ ISM頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡(luò)在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術(shù)。

（4）通用性。布建Zigbee網(wǎng)絡(luò)的最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)完成各類操作，主要是I/O操作和A/D操作，這就要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設(shè)備的操作要求。

（5）低功耗，支持電池供電。低功耗是Zigbee的重要特征，支持休眠—喚醒模式和引入功率控制機制使設(shè)備更加省電。典型的Zigbee節(jié)點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計應(yīng)按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

2.2.1 芯片選型

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及Zigbee2007協(xié)議棧的正常運行。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設(shè)計方案，本設(shè)計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。

設(shè)計選用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256，工作在2.4ghz頻段，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC），它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。

2.2.2 硬件整體設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件平臺中，CC2530需要實現(xiàn)的功能以及外圍模塊主要有3個部分：通過A/D口控制傳感器模塊進行數(shù)據(jù)采集；控制無線rf模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過I/O口相應(yīng)主機控制。傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過I/O口與微處理器相連，通過RS232接口可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與PC機的通信。

由于CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時鐘晶振采用32MHZ無源晶振以及32.768KHZ時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，天線使用50歐鞭狀負極性天線。

2.2.3 PCB設(shè)計

CC2530的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點PCB設(shè)計是硬件設(shè)計的關(guān)鍵，它同時具備數(shù)字電路與高頻電路的特點。在元件布局盡量緊湊、美觀；在數(shù)字信號線走線上做到自然、平滑；高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨立、避免干擾，并符合天線特性；節(jié)點接口分布采用TI標(biāo)準(zhǔn)接口形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。由于CC2530集無線收發(fā)和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路，因此PCB的設(shè)計要完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。PCB板的尺寸為長寬高25mm€？1mm€？.6mm，接口為11€？雙排插針，間距2.54mm。接口管腳定義為TI的標(biāo)準(zhǔn)接口。

經(jīng)實地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離120米；最大輸出功率10dbm；接收靈敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，發(fā)送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設(shè)備具有功能模塊專一、接口穩(wěn)固通用的特點，8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口和1個RS232接口。

3 結(jié)束語

本文介紹了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，具有低功耗，軟件易開發(fā)等優(yōu)點。隨著社會和科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將得到日益廣泛的應(yīng)用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在能耗、節(jié)點規(guī)模方面還有不足，隨著這些問題的解決，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、智能建筑以及軍事等領(lǐng)域必然會得到越來與廣泛的應(yīng)用。

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