無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的研究和設(shè)計(jì)

1 概 述
    無線通信的方式有多樣，與藍(lán)牙、Wi-Fi、GSM移動(dòng)通信方式相比，ZigBee聯(lián)盟制定的 ZigBee方式具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實(shí)現(xiàn)成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合低速率傳輸?shù)?strong>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee聯(lián)盟成立于 2001年，2002年Invensys公司、三菱電氣公司、摩托羅拉公司以及飛利浦半導(dǎo)體公司加盟，現(xiàn)在正迅速發(fā)展壯大。該聯(lián)盟在基于IEEE 802．15．4的PHY層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層之上，研究開發(fā)適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他高層協(xié)議。
    物理層的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是2．4 GHz和868／915 MHz，都基于直接序列擴(kuò)頻DSSS(Direct Sequence Spread Spec-trum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。2．4 GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。它的物理層通過采用16相高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250 kb／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。
    ZigBee聯(lián)盟定義了兩種物理設(shè)備類型：全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Re-duced Function Device)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常由1個(gè)FFD和若干RFD組成。FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，其他設(shè)備只與協(xié)調(diào)器通信，由協(xié)調(diào)器決定處理要做的事情。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。通過FFD接力傳送，網(wǎng)絡(luò)又可以擴(kuò)展成其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    隨著ZigBee的研究發(fā)展，2005年，各大芯片制造商紛紛推出了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)模塊和通信套件，但是目前只有挪威Chip-con公司 (CC2420/CC2430和CC2500／CC2550等)、美國Freescale Semiconductor公司(MC13192和MC13193)、美國CompXs公司(ML7065)和美國Ember公司(EM2420)四個(gè)原始設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)的ZigBee套件符合聯(lián)盟規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。2007年德州儀器(TI)宣布推出ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)的免費(fèi)下載版本。

2 設(shè)計(jì)與調(diào)試
2．1 研究目標(biāo)
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的主要功能是協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)，其他功能還包括：傳輸網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，并且提供關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的路由信息；此外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要存儲(chǔ)一些基本信息，如節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)備、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表及設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。
    問題是，目前ZigBee協(xié)議主要在低端8位或16位單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)而言，其數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，且限于自身的硬件資源，很少能實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互界面。對功能要求較高的ZigBee協(xié)調(diào)器，這種構(gòu)架很難滿足應(yīng)用的需求。而基于PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，不但體積大、價(jià)格高而且功耗大，對于傳輸率不大的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說十分浪費(fèi)資源，所以開發(fā)基于ARM系列嵌入式芯片為核心微處理器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是很有必要的。實(shí)驗(yàn)基于星型結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)RFD功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于ARM9嵌入式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，提供3．5英寸TFTLCD觸摸屏作為人機(jī)交互，顯示其他各節(jié)點(diǎn)的工作狀況、測試參數(shù)情況，為日后高級(jí)應(yīng)用提供平臺(tái)。[!--empirenews.page--]
2．2 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)
    本設(shè)計(jì)射頻芯片選用挪威Chipcon公司的CC2420(2．4 GHz，支持250 kb／s數(shù)據(jù)傳輸率)。微處理器采用S3C2440嵌入式工業(yè)級(jí)芯片。硬件框圖如圖2所示，ARM(左)+RFD(右)=ARM嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

2．3 協(xié)調(diào)器軟件結(jié)構(gòu)
    采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在TI公司ZigBee協(xié)議?；A(chǔ)上，在原Bootloader、Kernel上修改文件系統(tǒng)，添加GUI應(yīng)用程序，并修改系統(tǒng)啟動(dòng)腳本使應(yīng)用程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的實(shí)現(xiàn)過程中使用多線程技術(shù)，串口數(shù)據(jù)收發(fā)、GUI顯示與按鈕響應(yīng)、ZigBee節(jié)點(diǎn)掉線檢測3 個(gè)線程并發(fā)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程
    MAC幀格式由以下基本部分組成：
    ①M(fèi)AC層頭幀(MAC Header，MHR)，包含幀控制域、序列號(hào)和地址信息；
    ②MAC凈載荷(長度可變)，包含的信息指定了幀的類型；
    ③MAC層幀尾(MAC footer，MFR)，包含了一個(gè)幀校驗(yàn)序列。
    其中，MHR有固定的順序，并不是所有的幀都包含地址域。一般的MAC幀格式如圖4所示。

2．5 系統(tǒng)ZigBee幀格式的定義與分析
    在RFD的設(shè)計(jì)中，ZigBee設(shè)備采用16位短地址，負(fù)載來自光敏電阻的采樣電壓值，為2字節(jié)，F(xiàn)CS由CC2420自動(dòng)校驗(yàn)。所以，本設(shè)計(jì)中使用的幀長度為15字節(jié)。定義ZigBee幀的數(shù)據(jù)格式如下：

    將RFD節(jié)點(diǎn)和PC通過串口連接起來，通過串口調(diào)試助手可以觀察到類似下列格式的幀：
    41 88 0A 01 OO 01 OO 00 OO 00 00 E2 03 F9 EB
    前2字節(jié)(88 41)為幀控制域，第3字節(jié)(OA)為幀序列號(hào)，4～5字節(jié)(00 01)為目的地址的PAN ID，6～7字節(jié)為目的地址(00 01)，8～9字節(jié)(00 00)為源地址的PAN ID，10～11字節(jié)(00 00)為源地址，12～13字節(jié)(03E2)為負(fù)載，14～15字節(jié)(F9 EB)為校驗(yàn)位。[!--empirenews.page--]
2．6 協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)流程和軟件流程
    通過天線接收RFD傳輸過來的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過CC2420自動(dòng)校驗(yàn)。若無誤則經(jīng)過解碼、譯碼，然后經(jīng)過SPI接口送往ATmega128L，再經(jīng)過串口UART1送往S3C2440，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示于相應(yīng)的LCD觸摸屏上。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    當(dāng)有兩個(gè)RFD進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的監(jiān)測范圍，LCD中便顯示兩個(gè)綠色小球，以及相應(yīng)的地址、數(shù)據(jù)等信息。同理，當(dāng)移開或停止RFD工作，兩個(gè)綠色小球便同時(shí)從LCD中消失。

4 總 結(jié)
    本設(shè)計(jì)參考TI公司的ZigBee協(xié)議棧，在完成RFD功能后加入ARM9芯片及外圍電路擴(kuò)展成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。此協(xié)調(diào)器功能豐富：LED可指示工作狀態(tài)，處理器可提高運(yùn)算速度，LCD可人機(jī)交互，網(wǎng)口可連接Internet。所以不但可提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能，還為日后應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。