基于ZigBee協議的無線傳感器網絡設計

摘 要 傳感器節點是組成無線傳感器網絡的基本單位.本文通過對傳感器硬件節點的分析，以射頻芯片CC2530為核心，設計了一種基于CC2530單片機的無線傳感器網絡的硬件節點設計方案。

關鍵詞 無線傳感器網絡 硬件節點 CC2420 MSP430

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

0 引言

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。物聯網是所有物品通過射頻識別等信息傳感設備實現任何時間、任何地點及任何物體的連結，達到智能化識別和管理；物聯網整合了傳感器技術、通信技術和信息處理等技術，主要通過無線傳感、射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位、傳感器等技術，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，從而給物體賦予智能，實現了物與物、人與物的互聯，實現了物理世界與信息網絡的無縫連接，物聯網是傳感網、通信網和應用系統的有機組合。無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）作為物聯網的組成部分，綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。本文使用模塊化設計思路，實現了一個無線傳感器網絡。

1 Zigbee無線網絡協議

Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個Zigbee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。

每個Zigbee 網絡節點不僅本身可以對對象監控，例如連接傳感器直接進行數據采集和監控，它還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料；除此之外，每一個Zigbee網絡節點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點（RFD）無線連接。

每個Zigbee網絡節點（FFD和RFD）可以支持多到31個的傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備可以有8種不同的接口方式。可以采集和傳輸數字量和模擬量。

ZigBee協議在無線傳感器網絡應用中的具有以下特點和優勢：

低功耗：由于ZigBee 的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠兩節5 號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

成本低：ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右，并且ZigBee 協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網絡組成靈活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

安全性高：ZigBee 提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是由大量的傳感器節點組成的，它們能夠協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理。傳感器節點是組成無線傳感器網絡的基本單位，是構成無線傳感器網絡的基礎。節點不僅完成采集信息、融合并傳送數據的功能，節點中的電源模塊還負責節點的驅動，是決定網絡生存期的關鍵因素。

2.1 網絡結構

一般來說，一個無線傳感器網絡包括傳感器節點以及傳感器網絡網關節點，如圖1所示。其中，傳感器節點具有本地數據采集傳輸和轉發鄰節點數據的雙重功能，可以在后臺管理軟件和傳感器網絡網關節點的控制下采集數據，并將數據經過多跳路由傳輸到傳感器網絡網關節點；傳感器網絡網關匯聚節點是網絡的中心，具有協調器和網關的作用，負責網絡的配置、管理和數據的匯集，并負責與用戶PC機后臺管理軟件的通信。無線傳感器網絡通常具有兩種應用模式：主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網關節點對各個傳感器節點進行主動的輪詢以獲得消息；而被動模式則要求在某個傳感器節點事件發生時，網關節點能作出及時的響應。各個傳感器節點得到的數據還能進行組合，這也很大地提高了傳感器網絡的效率。當然這也要求傳感器節點要具有一定的計算能力。

2.2 系統硬件設計

在無線傳感器網絡中，傳感器節點具有端節點和路由的功能：一方面實現數據的采集和處理；另一方面實現數據的融合和路由，對本身采集的數據和收到的其他節點發送的數據進行綜合，轉發路由到網關節點。網關節點往往個數有限，而且能量常常能夠得到補充；網關通常使用多種方式（如Internet、衛星或移動通信網絡等）與外界通信。而傳感器節點數目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量；傳感器節點的能量一旦耗盡，那么該節點就不能進行數據采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網絡的健壯性和生命周期。因此，傳感器網絡主要研究的是傳感器網絡節點。具體應用不同，傳感器網絡節點的設計也不盡相同，但是其基本結構是一樣的。

傳感器網絡節點的硬件一般包括處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元、電源供應單元和其他擴展單元，如圖2所示。其中，處理單元負責控制傳感器節點的操作以及數據的存儲和處理；傳感采集單元負責監測區域內信息的采集；無線傳輸單元負責節點間的無線通信；電源供應單元負責為節點供電。傳感器網絡網關節點功能更多，除包含上述功能單元以外，還包含與后臺監控通信的接口單元。

Zigbee網絡節點設計要求如下：

（1）可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時要具備一定的抗干擾力。2.4GHZ頻段是IEEE 502.15.4定義的工作在ISM頻段的兩個工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。

（2）體積小，成本低，易于大規模布建。Zigbee技術較其它無線技術的優勢在于自組網，這就需要布建大規模的網絡節點，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的Zigbee網絡節點有較高的性價比。

（3）可靠性。與有線傳輸介質相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，Zigbee網絡是工作在2.4GHZ ISM頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網絡在有效范圍內建立可靠的傳輸，網絡節點應選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術。

（4）通用性。布建Zigbee網絡的最終目的是通過網絡完成各類操作，主要是I/O操作和A/D操作，這就要求網絡節點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設備的操作要求。

（5）低功耗，支持電池供電。低功耗是Zigbee的重要特征，支持休眠—喚醒模式和引入功率控制機制使設備更加省電。典型的Zigbee節點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。

Zigbee網絡節點的設計應按照上述的原則與規劃進行硬件設計和軟件設計。

2.2.1 芯片選型

Zigbee網絡節點硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發模塊的協作下完成Zigbee網絡的建立與維護，數據采集與處理，無線數據收發以及Zigbee2007協議棧的正常運行。在網絡節點的硬件設計中可以根據成本與操作可行性等因數選擇不同的的設計方案，本設計選擇集微處理器模塊和無線收發模塊于一體的單芯片解決方案。

設計選用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256，工作在2.4ghz頻段，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC），它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點，CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。

2.2.2 硬件整體設計

在網絡節點硬件平臺中，CC2530需要實現的功能以及外圍模塊主要有3個部分：通過A/D口控制傳感器模塊進行數據采集；控制無線rf模塊完成數據收發；通過I/O口相應主機控制。傳感器采集的數據也可通過I/O口與微處理器相連，通過RS232接口可實現網絡節點與PC機的通信。

由于CC2530芯片內集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時鐘晶振采用32MHZ無源晶振以及32.768KHZ時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網絡，天線使用50歐鞭狀負極性天線。

2.2.3 PCB設計

CC2530的Zigbee網絡節點PCB設計是硬件設計的關鍵，它同時具備數字電路與高頻電路的特點。在元件布局盡量緊湊、美觀；在數字信號線走線上做到自然、平滑；高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨立、避免干擾，并符合天線特性；節點接口分布采用TI標準接口形式，結構穩固可靠。由于CC2530集無線收發和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路，因此PCB的設計要完全適合無線傳感器網絡應用。PCB板的尺寸為長寬高25mm€？1mm€？.6mm，接口為11€？雙排插針，間距2.54mm。接口管腳定義為TI的標準接口。

經實地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離120米；最大輸出功率10dbm；接收靈敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，發送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設備具有功能模塊專一、接口穩固通用的特點，8路模擬量輸入接口，4路數字量輸入輸出接口，2路數字量輸出接口和1個RS232接口。

3 結束語

本文介紹了一個無線傳感器網絡的設計，具有低功耗，軟件易開發等優點。隨著社會和科學技術的日益發展，無線傳感器網絡將得到日益廣泛的應用。目前無線傳感器網絡在能耗、節點規模方面還有不足，隨著這些問題的解決，無線傳感器網絡在環境監測、智能建筑以及軍事等領域必然會得到越來與廣泛的應用。

參考文獻

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