基于ZigBee的无线传感器网络硬件设计

引言

本文引用地址：无线传感器网络作为一种新兴技术，已经成为国内外研究的热点，其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和救灾等领域展现出广阔的应用前景[1]。国内外很多单位都开展了相关领域的研究，但大部分工作仍处在无线网络协议性能仿真和硬件节点小规模实验设计阶段。无线传感器网络并不需要较高的传输带宽，但却要求极低的功率消耗，以使无线传感器网络中的设备可工作更长的时间，同时低成本也是无线传感器普及应用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4标准把低功耗、低成本作为主要目标，为无线传感器网络提供了互连互通的平台，目前基于该技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。本文就是基于ZigBee技术，设计了通用无线传感器网络硬件平台，以期待能够产业化，为我国的无线传感器事业做出更大的贡献。

基于ZigBee的无线传感网络的主要优势

ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳Z字形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通，人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE 802.15.4标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范由ZigBee联盟进行了制定。ZigBee的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方面[2]。

① 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙只能工作数周、WiFi只可工作数小时。

② 低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 KB代码，子功能节点少至4 KB代码，而且ZigBee免协议专利费。

③ 低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

④ 近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

⑤ 短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

⑥ 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。

⑦ 协议简单、安全性高。ZigBee协议栈长度平均只有蓝牙的1/4，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，提供了三级安全模式，可灵活确定其安全属性，网络安全能够得到有效的保障。

⑧ 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段—2.4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。

由上述ZigBee的主要技术特点，可以看出：基于IEEE802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。另外，采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，可使得通信效率非常高。与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术的低功耗、低速率最适合应用于无线传感器网络。

无线传感器网络硬件设计

在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内。节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。图1给出了一般形式的无线传感器网络体系结构[3]。

针对环境及结构状态监测，我们设计了一种通用无线传感器网络硬件平台，该硬件平台由若干传感器节点、具有无线接收功能的Sink节点及一台计算机构成。无线传感器节点分布于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和无线通信等工作，Sink节点接收各传感器的数据并以有线的方式将数据传送给计算机，如图2所示。

无线传感器节点的硬件设计

无线传感器节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。其中，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理 模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输模块负责与其他节点或Sink节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减小节点的体积。

我们设计的节点实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等。为了降低传感器节点的成本，减小传感器节点的体积，我们采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的数据传输和处理功能。图3是设计的无线传感器节点的结构框图。下面将分别介绍无线传感器节点中的几个主要功能模块。

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