基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

時(shí)間：2009-11-06 10:22:53

關(guān)鍵字： Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) BSP

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[導(dǎo)讀] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于軍事與民防、環(huán)境生態(tài)觀測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能建筑等領(lǐng)域。傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元，它是由傳感器、處理器

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于軍事與民防、環(huán)境生態(tài)觀測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能建筑等領(lǐng)域。傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)四個(gè)模塊組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)組成，因此，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。本文基于無線傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了一種基于針對(duì)ZigBee協(xié)議、以CC2430芯片為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。

1 ZigBee技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)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(shù)主要有紅外技術(shù)(IrDA)、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)技術(shù)(Wi-Fi)等。表1列出了ZigBee技術(shù)與這些短距離無線通信技術(shù)的比較，從表中不難看出，各種通信技術(shù)都具有各自的特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。紅外技術(shù)由于其傳輸距離有限、傳輸方向性強(qiáng)等缺點(diǎn)，在應(yīng)用范圍上受到了一定程度的限制；藍(lán)牙技術(shù)只能配置7個(gè)節(jié)點(diǎn)，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用；無線局域網(wǎng)技術(shù)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(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。
在比較之下，ZigBee技術(shù)具有成本更低、網(wǎng)絡(luò)容量更大、功耗更低、時(shí)延更短等優(yōu)點(diǎn)，故而本文選取了Zig-Bee技術(shù)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)互通的平臺(tái)。ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度的無線傳輸技術(shù)，它工作于無需注冊(cè)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(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展集，它基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型。網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)的框架設(shè)計(jì)是由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定，IEEE則制定物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制層(MAC)標(biāo)準(zhǔn)。其中，APL的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)以及由制造商指定的應(yīng)用對(duì)象。ZigBee的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由四個(gè)主要模塊構(gòu)成：傳感器模塊(傳感器、信號(hào)調(diào)整、A／D轉(zhuǎn)換器)、處理器模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、無線收發(fā)模塊(無線網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器)和能量供應(yīng)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(dòng)設(shè)備模塊等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)其實(shí)現(xiàn)機(jī)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(zhǔn)確地發(fā)送出去。圖2描述了傳感器節(jié)點(diǎn)的組成。

2．2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
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(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)芯片(SoC)解決方案。它能夠滿足ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)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(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(WatchDog Timer)、32 kHz晶振休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)以及21個(gè)可編程I／O引腳。
    CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)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(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
2．2．2 傳感器模塊
    設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字溫濕度傳感器SHT11 ，該傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，具有極高的安全性、可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。SHT11的供電電壓為2．4～5．5 V，測(cè)濕精度為±3．0％RH，在溫度為25℃時(shí)測(cè)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(yīng)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(shí)鐘線SCK，并在DATA端口接入一只上拉電阻，用于將信號(hào)提拉為高電平，同時(shí)在VDD及GND端口接入一只去耦電容，通過相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)即可完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2．3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序流程如圖4所示。

其中調(diào)用了多個(gè)子程序模塊用來處理相應(yīng)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(diǎn)的信息；通信鏈路模塊用來建立監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jié) 語
無線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和應(yīng)用都起著至關(guān)重要的作用，作為整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適應(yīng)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向的節(jié)點(diǎn)，圍繞此方案實(shí)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件及軟件的設(shè)計(jì)，經(jīng)過測(cè)試其運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本文為上層通信協(xié)議設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，具有一定的研究意義。