ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡平臺設計與實現(xiàn)

宋連慶　韓興會　袁世博　權(quán)　策

（1.西安工程大學電子信息學院　西安　710048）（2.西安曼海特工業(yè)技術(shù)有限公司　西安　710018）

1　引言

無線傳感器網(wǎng)絡是能夠在指定區(qū)域內(nèi)獲取無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)信息的一種新型信息獲取系統(tǒng)［1～3］，是由安裝在監(jiān)測范圍內(nèi)的多個傳感器節(jié)點通過無線通信的方法構(gòu)建成的一個多跳自組織的監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)相對簡單、設備功耗較低使得它成為目前搭建無線傳感器網(wǎng)絡的第一選擇。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)、物流管理和環(huán)境監(jiān)測等諸多方面［4～5］。

本文設計了一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡平臺，介紹了軟硬件設計，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡的組建和數(shù)據(jù)的路由，為企業(yè)生產(chǎn)和生活中需要多點監(jiān)測和布線困難的場所提供一種可行的解決方案。

2　ZigBee平臺總體結(jié)構(gòu)

平臺主要由終端采集模塊、無線通信模塊和上位機組成。如圖1所示，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示功能。終端設備搭載傳感器完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，簡單處理后將數(shù)據(jù)上傳至綁定的父節(jié)點路由器，通過路由器的多跳，將數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡的發(fā)起與維護并與上位機通信，上位機實現(xiàn)信息的直觀顯示。

圖1　平臺總體結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件組成包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備3部分。終端設備是網(wǎng)絡的基本單元，本文將路由器設置為兼具采集和路由功能，其硬件設計與終端設備一樣，在軟件配置時有所不同。終端設備組成框圖如圖2所示。包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊。

圖2　終端設備結(jié)構(gòu)

3.1　數(shù)據(jù)處理模塊

本系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片作為核心處理器，它集成了一個高性能射頻收發(fā)器、一個增強型8051微處理器、8kB的RAM，擁有可選擇的32/64/128/256 KB 閃存［6～8］。因考慮到 ZigBee協(xié)議棧的運行，選擇了256KB的閃存。在接收和發(fā)送模式時，電流損耗分別為24mA和29mA［9］，能較好地滿足低功耗的要求。CC2530提供了一套廣泛的外設集，只需很少的外圍電路就可以搭建一個簡單的ZigBee節(jié)點。

3.2　ZigBee射頻模塊

射頻模塊的設計主要考慮晶振電路和天線與巴倫電路的設計。CC2530需要2個晶振，32MHz晶振提供高頻時鐘，32.768MHz晶振提供低頻時鐘。本文采用單端天線，為達到較好的收發(fā)效果設計了巴倫電路。射頻信號的收發(fā)采用差分方式，其最佳差分負載是 115+j180（Ω）［10］，如圖 3 所示。CC2530的射頻輸出引腳通過L1、L2、C8、C9、C11和C17組成的網(wǎng)絡與外接天線進行阻抗匹配，其中L1和C9進行濾波，C11起隔直作用，C10進行高頻濾波，L2進行低頻濾波。

圖3　天線及巴倫電路

3.3　電源模塊

所選用的CC2530芯片具有寬電源電壓范圍，在2V～3.6V電壓范圍內(nèi)都能正常工作［11］，所設計終端使用高容量鋰電池進行直接供電。

3.4　數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊主要包括傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，傳感器負責對監(jiān)控區(qū)域的信息進行采集，如溫度、濕度、光照等，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便進一步處理。

4　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧。同時考慮到功耗和時延問題，采用最小跳數(shù)的自組網(wǎng)方法，提高傳輸?shù)男?。Z-Stack協(xié)議棧使用了 OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）［12～13］，采用輪詢的方式進行任務調(diào)度管理。ZigBee協(xié)議棧由ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層和介質(zhì)訪問控制層之上，將網(wǎng)絡層和應用層進行規(guī)范化而形成的［14］。為了使得協(xié)議棧各層能夠獨立工作，采用了分層結(jié)構(gòu)，對協(xié)議棧進行了適當?shù)男薷?，在應用層進行編程設計，以滿足系統(tǒng)需要。

4.1　協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示。上電后進行能量掃描，如果發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)絡，則作為路由加入網(wǎng)絡，如果沒有網(wǎng)絡，則選擇一個沒使用過的PAN ID來組網(wǎng)，并允許節(jié)點綁定，等待設備入網(wǎng)，設備成功入網(wǎng)后，獲得短地址，并通過此地址進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4.2　終端設備

終端設備軟件流程如圖5所示。終端上電后進行主動掃描，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡后申請加入，成功入網(wǎng)后將被分配短地址，然后向父節(jié)點發(fā)起綁定請求，成功后定時采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，發(fā)送完畢進入睡眠狀態(tài)，定時時間到再進行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送。

圖4　協(xié)調(diào)器軟件流程

圖5　終端設備軟件流程

4.3　低功耗策略

在終端設備數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器的過程中，如果距離太遠就需要路由器進行中轉(zhuǎn)，理論上可以采用多個路由器中轉(zhuǎn)的方法，本文考慮到路由器層數(shù)過多會造成硬件資源浪費并且多次路由產(chǎn)生的延時也不能輕視，故采用了一層路由。

本系統(tǒng)中終端設備采用輕度睡眠模式［15］，在一次采集數(shù)據(jù)結(jié)束之后，終端設備進入睡眠狀態(tài)，在一個預定延時后通過32.768kHz晶振時鐘源驅(qū)動24位硬件休眠定時器喚醒設備，并進行數(shù)據(jù)采集。休眠定時器有一個24位計數(shù)器和一個24位比較器，當SLEEP_TIMER定時器計數(shù)到比較器的設定值時，產(chǎn)生中斷喚醒MCU。使終端節(jié)點能夠周期性地進入睡眠狀態(tài)，需要在程序中定義睡眠觸發(fā)事件：

#defineMY_CHANGE_SLEEP_EVT 0x0008

當睡眠定時器溢出時，會觸發(fā)睡眠改變?nèi)蝿帐录２僮飨到y(tǒng)接收到睡眠改變事件后，會對該事件進行處理。在該事件處理函數(shù)中，程序繼續(xù)進入睡眠模式，這樣下來，終端設備會在睡眠SleepTimer時間后醒來，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)包，并在myReportPeriod時間后再次進入睡眠，如此重復便可實現(xiàn)周期性睡眠與喚醒這一功能。

5　組網(wǎng)實驗與結(jié)果分析

5.1　組網(wǎng)實驗

圖6　組網(wǎng)實驗結(jié)果圖

由一個協(xié)調(diào)器、兩個路由器、四個終端設備和一臺PC機組成樹型網(wǎng)絡進行溫度監(jiān)測組網(wǎng)實驗。協(xié)調(diào)器采用電源供電，設計的路由器和終端設備可以休眠，使用鋰電池供電。終端設備分布于需要監(jiān)測的場所，負責對數(shù)據(jù)的采集并通過無線射頻信號發(fā)射；路由器檢測到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后進行路徑判斷，將數(shù)據(jù)發(fā)送至下一節(jié)點。協(xié)調(diào)器接收各個路由器節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)傳入PC機，進而在PC機上顯示。每隔50s，終端喚醒采集溫度，兩次采集之間，終端睡眠以減少功耗。實驗效果如圖6所示，溫度值隨環(huán)境的變化而變化。

5.2　系統(tǒng)性能測試

為了對系統(tǒng)性能進行有效測試，分別在室內(nèi)和室外兩種情況下測試了距離30m、50m、70m、90m、110m時平臺的數(shù)據(jù)傳輸能力，如表1所示。

表1　系統(tǒng)通信性能測試

分析數(shù)據(jù)可知，在室外環(huán)境下，通信距離在90m內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸能力較強且穩(wěn)定可靠；在室內(nèi)環(huán)境下，要保證數(shù)據(jù)的可靠性，通信距離需控制在50m內(nèi)。

6　結(jié)語

本文介紹了基于TI公司CC2530芯片的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡平臺的設計與實現(xiàn)。以低功耗、低成本為目標進行了軟硬件設計，使得平臺具有較好的通用性和易開發(fā)性，可大大減少產(chǎn)品設計的時間。最后進行了組網(wǎng)實驗和通信性能測試實驗，實驗中該平臺的軟硬件穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸效率高。實驗結(jié)果表明，該平臺可在90m范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進行可靠的傳輸，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)高成本、布線困難等問題，可滿足一般的工業(yè)場所的應用。

［1］姚剛，胡博.無線傳感器網(wǎng)絡低功耗技術(shù)研究［J］.中國新通信，2015，17（5）：128.YAOGang，HU Bo.Research on Low Power Technology of Wireless Sensor Network［J］.China New Communication，2015，17（5）：128.

［2］黨燕.淺議Zigbee無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用［J］.無線互聯(lián)科技，2012（9）：73.DANGYan.Discussion on the Application of ZigbeeWireless Sensor Network Technology in Internet of Things［J］.Wireless Internet Technology，2012（9）：73.

［3］安康，張慧熙，王李冬，等.基于ZigBee技術(shù)的多節(jié)點設備無線物聯(lián)自組網(wǎng)設計［J］.微型機與應用，2014，33（8）：51-54.AN Kang，ZHANG Huixi，WANG Lidong，et al.Design of Wireless Network of Multi-node Devices Based on ZigBee Technology［J］.Microcomputer and Applications，2014，33（8）：51-54.

［4］王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012：30-35.WANG Xiaoqing，OU Yangjun，HUANG Ninglin.Design and Implementation of ZigBee Wireless Sensor Network［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2012：30-35.

［5］陳章進，張建峰，李翰超，等.基于ZigBee技術(shù)的教學設備系統(tǒng)設計［J］.電子測量技術(shù)，2015（8）：99-103.CHEN Zhangjin，ZHANG Jianfeng，LIHanchao，etal.Design of Teaching Equipment System Based on ZigBee Technology［J］.Electronic Measurement Technology，2015（8）：99-103.

［6］張沖，熊勇，房衛(wèi)東，等.ZigBee網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)研究［J］.國外電子測量技術(shù)，2015（8）：74-81.ZHANG Chong，XIONG Yong，F(xiàn)ANG Weidong，et al.Study on ZigBee Network Performance Test System［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2015（8）：74-81.

［7］張洪波.基于Zigbee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.電子設計工程，2014，22（7）：79-81.ZHANG Hongbo.Study on Temperature Monitoring System Based on Zigbee［J］.Electronic Design Engineering，2014，22（7）：79-81.

［8］李偉.基于ZigBee的單片機無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.電子設計工程，2014，22（22）：157-159.LIWei.Implementation of MCUWireless Communication System Based on ZigBee［J］.Electronic Design Engineering，2014，22（22）：157-159.

［9］周海鴻，周嘉奉.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.國外電子測量技術(shù)，2015（7）：75-79.ZHOU Haihong，ZHOU Jiafeng.Temperature and Humidity Monitoring System Based on ZigBee Technology［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2015（7）：75-79.

［10］秦天宇，馮進良.基于ZigBee的智能消防系統(tǒng)［J］.電子測量技術(shù)，2016，39（8）：114-117.QIN Tianyu，F(xiàn)ENG Jinliang.Intelligent Fire Protection System Based on ZigBee［J］.Electronic Measurement Technology，2016，39（8）：114-117.

［11］王欽，陳忠輝，陳新.基于ZigBee的倉庫溫濕度采集系統(tǒng)的設計［J］.計算機與數(shù)字工程，2009，37（9）：207-211.WANG Qin，CHEN Zhonghui，CHEN Xin.Design of Warehouse Temperature and Humidity Collection System Based on ZigBee［J］.JournalofComputerand Digital Engineering，2009，37（9）：207-211.

［12］董海濤，屈玉貴，趙保華.Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡平臺的設計與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應用，2007，33（12）：124-126.DONG Haitao，QU Yugui，ZHAO Baohua.Design and Implementation of Zigbee Wireless Sensor Network Platform［J］.Electronic Technology Journal，2007，33（12）：124-126.

［13］徐振峰，尹晶晶，陳小林，等.基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡的設計［J］.電子設計工程，2012，20（5）：75-77.XU Zhenfeng，YIN Jingjing，CHEN Xiaolin，et al.Design of Wireless Sensor Networks Based on ZigBee Protocol Stack［J］.Electronic Design Engineering，2012，20（5）：75-77.

［14］王延年，黃慶蓉.基于ZigBee的工業(yè)遙控系統(tǒng)的設計［J］.西安工程大學學報，2012，26（6）：59-62.WANG Yannian，HUANGQingrong.Design of Industrial Remote Control System Based on ZigBee［J］.Journal of Xi'an Engineering University，2012，26（6）：59-62.

［15］吳光榮，章劍雄.基于ZigBee的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（20）：169-171.WU Guangrong，ZHANG Jianxiong.Wireless Temperature and Humidity MonitoringSystem for High Voltage Switch Cabinet Based on ZigBee［J］.Modern Electronics Technology，2008，31（20）：169-171.