基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡設計

1 引 言
　　傳感器作為人們感官的延伸,在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展,
傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡化發(fā)展。本文以溫度傳感器為例, 使用模塊化設計思路,
實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡[1]。這種傳感器網(wǎng)絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術,
在實際中有著廣泛的應用。無線傳感器網(wǎng)絡可以應用于環(huán)境科學, 為科學家獲得野外的隨機數(shù)據(jù)提供方便; 可以應用于醫(yī)療健康,
在病人身上安裝一些特殊的傳感器, 醫(yī)生可以隨時監(jiān)測病人的身體情況; 在商業(yè)上, 無線傳感器網(wǎng)絡和中心主控計算機相結合,
能夠給人們提供更舒適、方便、人性化的家居環(huán)境。
　　普通節(jié)點和匯聚節(jié)點的CPU模塊都采用TI公司的MSP系列單片機，MSP430系列單片機具有超低功耗性能，對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，這一點是很重要的。另外它具有8通道12位高精度A/D采樣，可以滿足各種需要的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的應用，具有一定的通用性。此外射頻部分采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee[2]協(xié)議的CC2420為核心組成射頻模塊，ZigBee對無線傳感器網(wǎng)絡來說無疑是最合適的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議。
2 無線傳感器網(wǎng)絡中普通節(jié)點和匯聚節(jié)點的硬件設計
　　2.1 WSN普通節(jié)點的硬件體系結構
　　無線傳感器節(jié)點的普通節(jié)點負責將實時數(shù)據(jù)采集起來并將其發(fā)送到鄰居節(jié)點，其硬件結構圖如圖1所示。

圖 1: WSN中普通Sensor Node結構
　　2.2 WSN匯聚節(jié)點的硬件體系結構
　　匯聚節(jié)點的作用是將傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)收集起來，并進行一定的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理將其需要的格式發(fā)送給最終監(jiān)控計算機。

圖 2: WSN中匯聚Sink Node結構
　　各部分的具體組成
　　中央處理器CPU部分：
　　由于整個設計要以低功耗為原則，一次選取了業(yè)界公認的超低功耗處理器MSP430[6]系列單片機。
　　TI 公司的MSP430
系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作;其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設;帶60k
Flash ROM存儲器的單片機可以存儲大量的節(jié)點數(shù)據(jù)采集信息還可以方便高效地進行在線仿真和編程。MSP430
系列單片機最顯著的特點就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V 電壓、1MHz 的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1mA～400mA
之間，RAM
在節(jié)電模式耗電為0.1mA，等待模式下僅為0.7mA。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡的瓶頸，節(jié)點必須依靠電池供電。所以采用MSP430F149
是最佳選擇。
　　無線通信模塊設計：
　　采用挪威半導體公司Chipcon 推出的CC2420 是全球首顆符合802.15.4/ZigBee 聯(lián)盟標準的2.4GHz
射頻芯片。CC2420基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術,采用0118μm 工藝。為了保持和ZigBee[4]
標準一致,CC2420
支持250kbps數(shù)據(jù)傳輸率。芯片具有50個寄存器：33個控制、狀態(tài)寄存器;15個命令選通寄存器;2個先入先出緩存控制寄存器。
　　本設計的一個主要創(chuàng)新之處在于選取了硬件上支持IEEE
802.15.4/ZigBee協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中的LLC子層，因此這時我們只需在協(xié)議層上實現(xiàn)上層的安全層，MAC層和用戶的應用層協(xié)議。下面介紹ZigBee協(xié)議在新一代無線通信中的特點和對于無線傳感器網(wǎng)絡中應用的優(yōu)勢。
　　低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)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(jié)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(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee
也是一個關鍵的因素。