摘要 ZigBee技術是一種新興的無線通信技術，以低速率、低功耗、短距離而著稱，是目前研究的熱門技術。本文簡要介紹了ZigBee技術體系結構與特點，以及基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的主要優(yōu)勢；重點介紹了一種采用符合ZigBee技術的射頻芯片MCl3192實現無線傳感器網絡節(jié)點的設計方案，井對系統硬件接口電路與無線通信軟件流程作了說明。
關鍵詞 ZigBee技術 無線傳感器網絡節(jié)點 MCl3192 LPC2138

引 言
無線傳感器網絡是計算機技術、通信技術和傳感器網絡技術相結合的產物，是互聯網領域研究的熱點之一。應用于無線傳感器網絡的技術有許多種(如藍牙技術、紅外技術和超帶寬無線通信技術等)，推動了無線傳感器網絡的發(fā)展。但是，在家庭控制、醫(yī)療護理和工業(yè)監(jiān)測應用中不需要很高的帶寬，需要的只是低延遲、低功耗；而如果使用現有的、過于復雜的無線通信技術，將非常耗電，占用過多的計算和通信資源。為滿足上述要求，ZigBee技術應運而生。ZigBee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，把低功耗、低成本作為重要目標，主要應用于低速傳輸，可以作為無線傳感器網絡的通信協議。
傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網絡的基本單元，是構成無線傳感器網絡的基礎平臺。ZigBee網絡節(jié)點通常是一個微型嵌入式系統，完成數據的采集、處理和傳送，是決定網絡性能的重要因素。本文采用Freescale公司的ZigBee無線收發(fā)射頻芯片MCl3192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138，完成了無線傳感器網絡節(jié)點的設計，給出了軟、硬件設計方案，并且在硬件基礎上進行了結果分析。

1 ZigBee技術及其優(yōu)勢
ZigBee協議標準是由ZigBee聯盟與IEEE 802．15．4的任務小組來共同制定的，其協議棧主要由5層體系組成，結構如圖1所示。其中，物理層和MAC層標準主要由IEEE 802．15．4的任務小組完成；網絡層和安全層由ZigBee聯盟制定；應用層的開發(fā)則根據用戶的應用需要對其進行開發(fā)，用戶提供機動、靈括的組網方式。
ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業(yè)務，特別是無線傳感器網絡，因為它具有以下優(yōu)點：功耗低。由于其傳輸速率低，發(fā)射功率儀為1mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)五號電池就可以維持長達6個月～2年左右的使用時間。

時延短。通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備的時延為30ms，休眠激活的時延為15ms，活動設備信道接人的時延為15ms。因此，ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制等應用。
網絡容量大。一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，一個區(qū)域內最多可以同時存在100個獨立而且互相重疊覆蓋的ZigBee網絡。
安全可靠。采取了碰撞避免策略，避開了發(fā)送數據的競爭和沖突；采用完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息；還提供了基于循環(huán)冗余校驗的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證。
基于以上特點與優(yōu)勢，ZigBee技術在無線傳感器網絡中的應用將有廣闊的發(fā)展空間。

2 MCl3192芯片與LPC2138芯片簡介
MCl3192是Freescale公司推出的符合ZigBee標準的射頻芯片。其工作頻率是2．405～2．480GHz，該頻帶劃分為16個信道，每個信道占用5MHz的帶寬；采用直接序列擴頻的通信技術，數據傳輸速率為250kbpes。MCl3192具有一個優(yōu)化的數字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。為了適應低功耗的要求，芯片除了接收、發(fā)送和空閑3種工作狀態(tài)外，還有3種低功耗運行模式：①掉電模式，這種模式下芯片電流小于1μA；②睡眠模式，這種模式下電流在3μA左右；③休眠模式，這種模式下下電流約為35μA。芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為O～4 dBm，接收靈敏度可以達到 92dBm，傳輸距離30～70m。
LPC2138芯片是Philips公司推出的一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7微控制器。它具有豐富的片上存儲功能，帶有512KB嵌入的高速Flash存儲器和32 KB片內靜態(tài)RAM；還帶有多個串行接口，2個8路lO位A／D轉換器，1個D／A轉換器和47個GPIO，以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。LPC2138有兩種低功耗模式：空閑模式和掉電模式。較小的封裝和極低的功耗使其町以理想地與MCl3192結合，作為基于ZigBee技術的無線傳感器網絡節(jié)點。

3 無線傳感器網絡節(jié)點設計
傳感器節(jié)點一般由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等功能模塊組成，如圖2所示。數據采集單元負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數據轉換，采集的信息包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數據處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數據傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源管理單元選通所用到的傳感器。

3．1 節(jié)點硬件設計
圖3是節(jié)點的硬件原理圖。電路外圍元器件較少，主要包括6個模塊：LPC2138 MCU模塊、MCl3192無線射頻模塊、電源模塊、UART串口模塊、JTAG接口模塊和數據采集I／O模塊。LPC2138和MCl3192通過SPI總線連接。LPC2138的SPI接口工作在主機模式，是數據傳輸的控制方；MCl3192設為從機模式。LPC2138通過4線SPI接口對MC13192的內部寄存器進行讀寫操作，從而完成對MCl3192的控制以及數據通信。由傳感器輸出的模擬信號經過10位A／D變換后輸入到LPC2138中，LPC2138將傳感器采集的信號經過處理后通過MC13192發(fā)射出去。對傳感器的控制信號可以從MC13192的天線接收進來，通過SPI傳送到LPC2138上，經過其判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上，以實現對傳感器的控制。MCl3192芯片指定的晶振頻率為16 MHz，考慮到晶振對通信質量的影響，在制作PCB板時應將晶振的位置盡可能地靠近MCl3192芯片的XTAL1和XTAL2引腳。電源電路采用兩種方式：一種是3.6V干電池；另一種是鈕扣電池，可以根據需要選用。

3．2 節(jié)點軟件設計
按照硬件電路設計思路，軟件采用模塊化結構程序設計方式。軟件模塊包括：數據發(fā)送模塊、數據接收模塊、UART串口模塊、LPC2138與MCl3192連接的SPI模塊、中斷服務模塊。系統軟件編程的基本思路：先對SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口進行初始化；使能SPI端口、UART端口和A／D；初始化MCl3192芯片；開啟接收機后，即可運行任務程序，實現接收或發(fā)送數據。這里簡要給出LPC2138與MCl3192之間的SPI通信程序。發(fā)送和接收程序流程如圖4和圖5所示。

3．3 實驗結果
圖6為硬件節(jié)點實物圖。該電路板經過仿真調試應用良好，可以實現多個節(jié)點間的通信；在實驗電路板上設置了一個LED，可以通過燈的閃爍來指示信息接收的質量以及接收的成??；能夠利用串行接口與計算機進行通信，并且可以通過JTAG接口電路進行程序的固化。初步的實驗表明：通信距離基本達到預期目標，在空曠地帶以最大功率傳輸，可以以較小誤碼率傳輸60多米。采用l節(jié)電壓為3．6 V、容量為2l00mAh的干電池供電時，節(jié)點連續(xù)工作的時間為3～4天。如果使得該節(jié)點始終工作在超低功耗的工作狀態(tài)，則其工作時間可以超過1年，能夠滿足特定應用場合對電池壽命的要求。

結語
經實驗證明，以MC13192和LPC2138為核心構造的無線傳感器網絡節(jié)點，在功耗、傳輸距離以及無線傳輸速率等性能上都能滿足應用要求。在此方案基礎之上，通過移植ZigBee協議棧，可以構建ZigBee網絡的網絡層、應用層及安全層，再配以滿足特定要求的傳感器便可實現具體的應用網絡。