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基于ZigBee的無線傳感器網絡節(jié)點的設計

時間：2009-11-06 10:22:53

關鍵字： Zigbee 網絡節(jié)點無線傳感器網絡 BSP

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[導讀] 無線傳感器網絡是由大量隨機部署在被監(jiān)測區(qū)域內的節(jié)點通過自組織方式構成，廣泛應用于軍事與民防、環(huán)境生態(tài)觀測、醫(yī)療護理、智能建筑等領域。傳感器節(jié)點是無線傳感器網絡的基本組成單元，它是由傳感器、處理器

無線傳感器網絡是由大量隨機部署在被監(jiān)測區(qū)域內的節(jié)點通過自組織方式構成，廣泛應用于軍事與民防、環(huán)境生態(tài)觀測、醫(yī)療護理、智能建筑等領域。傳感器節(jié)點是無線傳感器網絡的基本組成單元，它是由傳感器、處理器、無線收發(fā)和能量供應四個模塊組成。無線傳感器網絡則是由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點組成，因此，節(jié)點設計的好壞將直接影響到整個網絡的質量。本文基于無線傳感器的結構和特點，自主設計了一種基于針對ZigBee協(xié)議、以CC2430芯片為核心的無線傳感器網絡節(jié)點的設計方案。

1 ZigBee技術
無線傳感器網絡中的傳感器節(jié)點之間互聯(lián)采用短距離的無線通信方式，現(xiàn)在流行的無線短距離通信技術主要有紅外技術(IrDA)、藍牙技術(Bluetooth)、無線局域網技術(Wi-Fi)等。表1列出了ZigBee技術與這些短距離無線通信技術的比較，從表中不難看出，各種通信技術都具有各自的特點，適用于不同的場合。紅外技術由于其傳輸距離有限、傳輸方向性強等缺點，在應用范圍上受到了一定程度的限制；藍牙技術只能配置7個節(jié)點，制約了其在大型傳感器網絡開發(fā)中的應用；無線局域網技術發(fā)射功率比較大，大多數(shù)便攜Wi-Fi裝置都需要常規(guī)充電，從而限制了它在工業(yè)場合的推廣和應用。
在比較之下，ZigBee技術具有成本更低、網絡容量更大、功耗更低、時延更短等優(yōu)點，故而本文選取了Zig-Bee技術為無線傳感網絡提供互聯(lián)互通的平臺。ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的無線傳輸技術，它工作于無需注冊的2．4 GHz ISM頻段，傳輸速率為100～250 Kb／s，傳輸距離為10～75 m，典型距離為30 m。ZigBee是IEEE 802．15．4標準的擴展集，它基于標準的7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型。網絡層(NWK)和應用層(APL)的框架設計是由ZigBee聯(lián)盟負責制定，IEEE則制定物理層(PHY)和介質接入控制層(MAC)標準。其中，APL的框架包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)以及由制造商指定的應用對象。ZigBee的體系結構如圖1所示。

2 無線傳感器網絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)
2．1 節(jié)點總體設計
無線傳感器網絡節(jié)點通常由四個主要模塊構成：傳感器模塊(傳感器、信號調整、A／D轉換器)、處理器模塊(微處理器、存儲器)、無線收發(fā)模塊(無線網絡、MAC、收發(fā)器)和能量供應模塊(電源、AD-DC)。此外，還可選擇其他附加的功能模塊，例如定位模塊、移動設備模塊等。無線傳感器網絡節(jié)點其實現(xiàn)機理是以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)以無線方式準確地發(fā)送出去。圖2描述了傳感器節(jié)點的組成。

2．2 節(jié)點硬件設計
2．2．1 處理器模塊和無線收發(fā)模塊
    CC2430芯片延用了CC24．20芯片的架構，實現(xiàn)了系統(tǒng)芯片(SoC)解決方案。它能夠滿足ZigBee為基礎的2．4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包括模／數(shù)轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(WatchDog Timer)、32 kHz晶振休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21個可編程I／O引腳。
    CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
2．2．2 傳感器模塊
    設計中采用了數(shù)字溫濕度傳感器SHT11 ，該傳感器通過無線網絡對監(jiān)測區(qū)域內溫度和濕度進行數(shù)據(jù)采集工作，具有極高的安全性、可靠性和長期穩(wěn)定性。SHT11的供電電壓為2．4～5．5 V，測濕精度為±3．0％RH，在溫度為25℃時測溫精度為±0．4℃，其封裝形式采用了SMD(LCC)貼片封裝，該傳感器與CC2430的典型應用接口電路如圖3所示。在圖3中，CC2430與SHT11連接，只需要用2條I／O口線分別作為數(shù)據(jù)線DATA和時鐘線SCK，并在DATA端口接入一只上拉電阻，用于將信號提拉為高電平，同時在VDD及GND端口接入一只去耦電容，通過相應的軟件設計即可完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2．3 節(jié)點軟件設計
無線傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)的軟件設計主程序流程如圖4所示。

其中調用了多個子程序模塊用來處理相應的功能。初始化模塊來初始化系統(tǒng)及ZigBee模塊，使系統(tǒng)的工作頻率保證在RF正常工作的32 MHz的晶振頻率；查詢模塊用來查詢附近通信節(jié)點的信息；通信鏈路模塊用來建立監(jiān)測區(qū)域內節(jié)點間的數(shù)據(jù)鏈路；數(shù)據(jù)通信模塊用來接收并分析無線傳感器網絡節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，處理后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。

3 結語
無線傳感器節(jié)點對于整個無線傳感器網絡的開發(fā)和應用都起著至關重要的作用，作為整個無線傳感器網絡的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、智能化、節(jié)能化的方向發(fā)展。本文在分析了ZigBee協(xié)議特點的基礎上，設計了適應于無線傳感器網絡發(fā)展方向的節(jié)點，圍繞此方案實現(xiàn)了采用sHT11溫濕度傳感器、SoC系統(tǒng)芯片CC2430的具有廣泛用途的無線傳感器網絡節(jié)點硬件及軟件的設計，經過測試其運行穩(wěn)定可靠。本文為上層通信協(xié)議設計提供了基礎，具有一定的研究意義。