引言

以傳感器和自組織網(wǎng)絡為代表的無線應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。IEEE802.15.4/ZigBee標準把低功耗、低成本作為主要目標，為傳感器網(wǎng)絡提供了互連互通的平臺。目前基于該技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關注。

簡介

IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術，網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

物理層

物理層采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)技術，可提供27個信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。IEEE802.15.4 定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標準。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，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質量指示，空閑信道評估，收發(fā)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路層

IEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC。IEEE802.15.4的MAC子層支持多種LLC標準。MAC子層使用物理層提供的服務實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸;而LLC子層在MAC子層的基礎上，給設備提供面向連接和無連接的服務。MAC子層功能具體包括：協(xié)調器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據(jù)協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步;支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)和取消關聯(lián);支持無線信道的通信安全;使用CSMA-CA機制;支持保護時隙(GTS)機制;支持不同設備的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。

傳感器的顯著優(yōu)勢

基于IEEE 802.15.4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。 一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡的標準。ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務，特別是傳感器網(wǎng)絡。

低功耗、低成本

在基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡中，可以由全功能設備作為Sink節(jié)點，終端節(jié)點一般使用削減功能設備來降低系統(tǒng)成本和功耗，提高電池使用壽命。

大容量、短時延

單個網(wǎng)絡中可容納更高密度的節(jié)點。一個ZigBee網(wǎng)絡可以容納最多254個從設備和1個主設備，一個區(qū)域可以有100個ZigBee網(wǎng)絡同時存在，特別地能滿足大規(guī)模傳感器陣列的要求。

協(xié)議簡單、高安全性

ZigBee協(xié)議棧長度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11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 技術提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，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。

基于IEEE/ZigBee傳感器節(jié)點的設計

傳感器節(jié)點的硬件參考模型

無線傳感器網(wǎng)絡微型節(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。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)通信模塊負責與其他節(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)點電源由兩節(jié)1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。

本文設計的傳感器節(jié)點實現(xiàn)機理是以IEEE/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)點同樣包IEEE/ZigBee無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。

傳感器節(jié)點的各模塊器件選擇

隨著IEEE/ZigBee標準的發(fā)布，世界各大無線芯片廠商陸續(xù)推出了支持該標準的無線收發(fā)芯片。這些芯片大都集成了該標準的物理層功能，可作為傳感器節(jié)點的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實現(xiàn)MAC層功能。

·無線收發(fā)芯片選擇

無線收發(fā)芯片的選擇主要考慮以下因素：

① 頻段：IEEE 802.14.5定義了兩種工作頻率。一般來講，高頻率能提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但對天線要求較高，高速率也意味著需要耗費更多的能量。各國對無線電產(chǎn)品都有嚴格的管理和監(jiān)督，根據(jù)國內無線頻譜管理相關規(guī)定，只能選擇工作在2.4GHz頻段的器件。

② 調制方式：無線傳感網(wǎng)絡規(guī)模大、密度高和帶寬窄的特點使得其存在嚴重的內部通信干擾。因此WSN需要實現(xiàn)簡單、抗干擾能力強、功耗低且成本低廉的調制和擴頻機制。目前廣泛應用的包括FSK和OQPSK兩種。其中FSK具有設備簡單、調制和解調方便等優(yōu)點，并且具有較好的抗多徑時延性能。

③ 睡眠電流與喚醒時間：傳感器通常處于睡眠狀態(tài)，睡眠喚醒時間以及睡眠電流都是必須考慮的指標。表1列出了幾種常見收發(fā)芯片的主要指標。綜合考慮以上因素，適合在國內使用的射頻芯片是工作在2.4GHz頻段的CC2420和CC2430。

·處理器的選擇

處理器是傳感器節(jié)點的核心，在選擇時，必須滿足體積小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足夠快、成本盡量低等幾個要求。AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡,是高性價比的單片機。高檔ATMega系列AVR單片機，主要包括ATMega8/16/32/64/128等型號，片內集成了較大容量的存儲器(存儲容量分別為8/16/32/64/128 KB)和豐富強大的硬件接口電路，具有先進的RISC精簡指令集結構。

·傳感器和電源

傳感器應根據(jù)實際的需要進行選擇，可以是溫度、濕度、強度、加速度、震動等傳感器。電源采用5號電池。

節(jié)點參考設計原理圖

傳感器節(jié)點參考設計的電路原理圖如圖2所示。采用CC2420無線收發(fā)芯片作為傳輸模塊，AVR Mega128作為處理器。圖中不包括具體的傳感器器件，可根據(jù)具體的應用添加。由Mega128和CC2420可以實現(xiàn)IEEE 802.15.4的物理層協(xié)議。

圖2 基于IEEE/ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點參考設計電路圖

電路設計主要包括三個重點部分，即射頻接口電路、處理器接口電路和上層應用接口電路。射頻接口就是CC2420芯片射頻引腳與天線之間的電路。CC2420的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進行調整。本設計采用50歐姆單極子天線，阻抗匹配電路采用巴倫 (BALUN)。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成(參見圖2)，包括電感L1、L2、L3和電容C3、C4、C5、C6。其中電感L1、L2還為芯片內部的低噪聲放大器和功率放大器提供直流偏置。

結語

本文重點討論了基于IEEE 802.15.4/ZigBee標準的WSN的優(yōu)點及其節(jié)點設計，低成本、低功耗、應用簡單的協(xié)議的誕生為無線傳感網(wǎng)絡及大量基于微控制應用提供了互聯(lián)互通的國際標準，不同廠商的微傳感器之間基于統(tǒng)一的標準才能實現(xiàn)互連組網(wǎng)。開放性的產(chǎn)品間的競爭將最終導致傳感器的批量生產(chǎn)并降低成本，從而為推動無線傳感網(wǎng)的應用及相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力的契機。