基于ZigBee的通用無線傳感器網絡硬件設計

引言

　　無線傳感器網絡作為一種新興技術，已經成為國內外研究的熱點，其在軍事、環境、健康、家庭、商業、空間探索和救災等領域展現出廣闊的應用前景[1]。國內外很多單位都開展了相關領域的研究，但大部分工作仍處在無線網絡協議性能仿真和硬件節點小規模實驗設計階段。無線傳感器網絡并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求極低的功率消耗，以使無線傳感器網絡中的設備可工作更長的時間，同時低成本也是無線傳感器普及應用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無線傳感器網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絡的研究和開發得到越來越多的關注。本文就是基于ZigBee技術，設計了通用無線傳感器網絡硬件平臺，以期待能夠產業化，為我國的無線傳感器事業做出更大的貢獻。

　　基于ZigBee的無線傳感網絡的主要優勢

　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳Z字形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小動物通過簡捷的方式實現“無線”的溝通，人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術，亦包含寓意。ZigBee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用會聚層和高層應用規范由ZigBee聯盟進行了制定。ZigBee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面[2]。

　　① 低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比較，藍牙只能工作數周、WiFi只可工作數小時。

　　② 低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32 KB代碼，子功能節點少至4 KB代碼，而且ZigBee免協議專利費。

　　③ 低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

　　④ 近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　　⑤ 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

　　⑥ 高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。

　　⑦ 協議簡單、安全性高。ZigBee協議棧長度平均只有藍牙的1/4，這種簡化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。ZigBee技術提供了數據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，網絡安全能夠得到有效的保障。

　　⑧ 免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段—2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　由上述ZigBee的主要技術特點，可以看出：基于IEEE802.15.4標準，可在數千個微小的傳感器之間實現相互協調通信。另外，采用接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，可使得通信效率非常高。與現有的各種無線通信技術相比，ZigBee技術的低功耗、低速率最適合應用于無線傳感器網絡。

無線傳感器網絡硬件設計

　　在無線傳感器網絡中，節點任意散落在被監測區域內。節點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監測數據傳到Sink節點，最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程中心進行集中處理。圖1給出了一般形式的無線傳感器網絡體系結構[3]。

　　針對環境及結構狀態監測，我們設計了一種通用無線傳感器網絡硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節點、具有無線接收功能的Sink節點及一臺計算機構成。無線傳感器節點分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無線通信等工作，Sink節點接收各傳感器的數據并以有線的方式將數據傳送給計算機，如圖2所示。

　無線傳感器節點的硬件設計

　　無線傳感器節點一般由傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監視區域的信息并完成數據轉換，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；數據處理 模塊負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數據傳輸模塊負責與其他節點或Sink節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點電源采用微型紐扣電池，以減小節點的體積。

　　我們設計的節點實現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無線方式發送出去。該節點包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節點的成本，減小傳感器節點的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現傳感器節點的數據傳輸和處理功能。圖3是設計的無線傳感器節點的結構框圖。下面將分別介紹無線傳感器節點中的幾個主要功能模塊。

　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，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。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡單，只需要數量很少而且廉價的外圍元件，即可完成無線傳感器節點的數據傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據實際需要選擇不同的傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測。可選用了光敏器件、數字格式傳感器和駐極體話筒，對光強、溫度、振動和聲音等進行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行模數變換即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線式數字溫度傳感器，測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經MAX4466構成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進的微型機電系統技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態及動態加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態測試等領域。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網絡節點，能夠實現溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節點功能的精簡角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實現節點設計的微型化，節點可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節點的生存期，若以兩節5號電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網絡形式工作狀態下通過合理的設置節點發射極的接收、發射以及待機狀態，可有效地延長節點的使用壽命。針對節點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統的低功耗設計也是當前值得關注的課題。

阻抗匹配網絡

　　CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據這一數值進行調整。本設計采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要一個巴倫來完成兩端口到單端口間的轉換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。

Sink節點的硬件設計

　　無線傳感器網絡內的信息與外部網絡或處理終端間的連接需要通過Sink節點來實現，Sink節點是無線傳感器網絡與有線設備連接中轉站，負責發送上層命令(如查詢、分配ID地址等)，接收下層節點請求和數據，具有數據融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無線傳感器網絡中最重要的一部分。我們設計的Sink 節點帶有USB數據口和RS232數據口，兩種數據口可以通過開關進行切換，以方便Sink與外部網絡或處理終端間的連接。

　　圖5是我們設計的Sink節點的結構框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現傳感器節點的數據傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實現兩通道雙向電平轉換，可直接操作CC2430芯片串行數據線和控制線。CC2430的外圍電路設計與傳感器節點相同。

　　結語

　　基于ZigBee的無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優點，可在特殊環境下實現監測區域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網絡技術的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網絡的應用必將從軍事、環境監測、醫療保健、空間探索和災害預測普及到生活中的各個領域。