基于ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點的設(shè)計與通信

劉　博

（河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，河南　鄭州　450044）

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點的設(shè)計與通信

劉博

（河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，河南鄭州450044）

文章介紹了基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議——ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特點，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）通用節(jié)點的基本構(gòu)架，設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點通信的軟硬件平臺，給出了系統(tǒng)的設(shè)計的方案，并從硬件和軟件兩方面解決了節(jié)點的功耗問題，實驗結(jié)果證明該方法能夠從一定程度上減小系統(tǒng)節(jié)點的功耗。

ZigBee協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點

1　無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成的，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

1.1無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的，具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：傳感器節(jié)點、管理節(jié)點和匯聚節(jié)點，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。大量傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域部署大量隨機的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距離一般很短，采用多跳（Multi Hop）的無線通信方式進行通信，監(jiān)測點的數(shù)據(jù)沿著網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點逐跳地進行數(shù)據(jù)的傳輸，傳感網(wǎng)可以在獨立的環(huán)境下運行，也可通過網(wǎng)關(guān)連接到因特網(wǎng)，用戶可以通過它實現(xiàn)遠程訪問。

1.2節(jié)點結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要是傳感器節(jié)點，它由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。

傳感器模塊：由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，負責(zé)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

處理器模塊：由嵌入式系統(tǒng)組成，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等，負責(zé)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)。

無線通信模塊：由網(wǎng)絡(luò)、媒體接入控制（Media Access Control，MAC）和收發(fā)器等模塊組成，負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。

能量供應(yīng)模塊：為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

1.3節(jié)點存在問題及對策

傳感器節(jié)點在實現(xiàn)無線通信的時候，難免會遇到以下一些問題：本文設(shè)計了一種具有實用價值的通用節(jié)點軟硬件平臺，節(jié)點通信采用短距離無線技術(shù)即ZigBee（短距離低功耗的無線通信技術(shù)）技術(shù)，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）通用節(jié)點的基本構(gòu)架，設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點無線通信的軟硬件平臺，給出了系統(tǒng)的設(shè)計的方案，通過降低系統(tǒng)的工頻、把模塊空閑未用的引腳接地等方法很好地解決了節(jié)點的功耗問題。實驗結(jié)果證明該方法能夠很好地減少了系統(tǒng)節(jié)點的功耗。

2　系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

2.1整體結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由4個部分組成，節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　節(jié)點結(jié)構(gòu)

2.2節(jié)點的硬件組成

系統(tǒng)的硬件主要是通信模塊、傳感器節(jié)點、處理器和電源幾部分組成，所有模塊選取低功耗電子器件，節(jié)點的硬件組成如圖2所示。

圖2　硬件組成

2.3軟件設(shè)計

在系統(tǒng)進行軟件調(diào)試的時候，采用串口通信模式，采用通串線（University Serial Bus，USB）接口與PC機通信，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用中斷的方法來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的傳送是：從節(jié)點可以向主節(jié)點發(fā)送中斷請求。整個軟件分為以下幾個部分。

主程序：主要是初始化單片機串口和設(shè)置ZigBee模塊的一些參數(shù)。

建立通信鏈路子程序：建立節(jié)點和處理器之間的無線通信。

數(shù)據(jù)處理子程序：處理節(jié)點收發(fā)采集的數(shù)據(jù)。

打包發(fā)送子程序：打包發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

中斷接收子程序：主程序初始化后開中斷，運行中循環(huán)等待下一個中斷。

另外，傳感器節(jié)點上電后，單片機開始初始化串口和ZigBee模塊，系統(tǒng)建立通信鏈路后進入休眠模式。

3　系統(tǒng)測試與分析

該系統(tǒng)經(jīng)實驗測試，通過以下幾種方法處理后，能夠有效降低系統(tǒng)的功耗，幾種方法的測試結(jié)果如下。

（1）降低系統(tǒng)的工作頻率。試驗測試如下：系統(tǒng)上電后，時鐘為8MHz時，測得總消耗電流為71mA：將頻率改為2MHz時系統(tǒng)正常工作，消耗電流則降低至60mA。

（2）在保證系統(tǒng)正常工作時將閑置的引腳接地。試驗測試如下：系統(tǒng)上電（3.3V）后，工作頻率一定，懸空的引腳時測得消耗總電流為69mA；當(dāng)降低系統(tǒng)供電至2.7V后，在同樣條件下，測得總電流消耗下降為51mA。

（3）利用處理器的在睡眠模式下和無線通信模塊的工作模式的合理切換，有效地降低系統(tǒng)的功耗。在工作狀態(tài)（接收模式）下3.3V供電，消耗電流為52mA；在發(fā)送模式下，3.3V供電，電流為67mA，2.7供電時電流為52mA。在節(jié)點沒有數(shù)據(jù)采集和無線通信時使處理器進入“睡眠模式”狀態(tài)，這時切斷ZigBee模塊的部分電源可以達到節(jié)能效果。實驗測得在無線通信模塊在空閑模式下3.3V供電時，總消耗電流為18mA。

通過以上測試結(jié)果表明，在系統(tǒng)設(shè)計過程中采取降低工作頻率、在保證系統(tǒng)正常工作時將閑置的引腳接地、利用處理器的在睡眠模式下和無線通信模塊的工作模式的合理切換，有效地降低系統(tǒng)的功耗。

［1］尹勇，龍毅宏.嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006（3）：107-109.

［2］金海紅.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計及其通信的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］田會峰，袁明新.基于無線傳感網(wǎng)的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2014（9）：36-39.

［4］居萬春.基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)路及應(yīng)用［J］.無線互聯(lián)科技，2013（10）：68.

Design and communication based on ZigBee wireless sensor network node

Liu Bo
（Information and Electronic Engineering School of Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450044， China）

This paper introduces the characteristics of structure and technology of wireless communication protocol ——ZigBee protocol based on IEEE 802.15.4 protocol， and proposes the basic framework of the general node of wireless sensor networks（WSN）and designs a software and hardware platform based on ZigBee wireless sensor network node communication， then provides the system design scheme which resolved the power consumption of nodes from two aspects of hardware and software. This experimental results show that the method can reduce power consumption of node system to a certain extent.

ZigBee protocol； wireless sensor network； node

劉博（1986— ），男，河南南陽。