802.15.4/ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

引言  

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了互連互通的平臺。目前基于該技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)得到越來越多的關(guān)注。  

簡介  

IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

物理層 

物理層采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)技術(shù)，可提供27個信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。IEEE802.15.4 定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評估，收發(fā)數(shù)據(jù)。 

數(shù)據(jù)鏈路層 

IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC。IEEE802.15.4的MAC子層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸；而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，給設(shè)備提供面向連接和無連接的服務(wù)。MAC子層功能具體包括：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步；支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持無線信道的通信安全；使用CSMA-CA機制；支持保護(hù)時隙(GTS)機制；支持不同設(shè)備的MAC層之間的可靠傳輸。LLC子層功能包括：傳輸可靠性保障和控制；數(shù)據(jù)包的分段與重組；數(shù)據(jù)包的順序傳輸。 

傳感器的顯著優(yōu)勢 

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可在數(shù)千個微小的傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)通信。另外，采用接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，可使得通信效率非常高。 一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò)。 

低功耗、低成本 

在基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以由全功能設(shè)備作為Sink節(jié)點，終端節(jié)點一般使用削減功能設(shè)備來降低系統(tǒng)成本和功耗，提高電池使用壽命。

大容量、短時延 

單個網(wǎng)絡(luò)中可容納更高密度的節(jié)點。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和1個主設(shè)備，一個區(qū)域可以有100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時存在，特別地能滿足大規(guī)模傳感器陣列的要求。 

協(xié)議簡單、高安全性 

ZigBee協(xié)議棧長度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11的1/4，這種簡化對低成本、可交互性和可維護(hù)性非常重要。ZigBee 技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，提供了三級安全模式,可靈活確定其安全屬性，網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。 

基于IEEE/ZigBee傳感器節(jié)點的設(shè)計 

傳感器節(jié)點的硬件參考模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點電源由兩節(jié)1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。 

本文設(shè)計的傳感器節(jié)點實現(xiàn)機理是以IEEE/ZigBee 傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點同樣包IEEE/ZigBee無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。 

傳感器節(jié)點的各模塊器件選擇 

隨著IEEE/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，世界各大無線芯片廠商陸續(xù)推出了支持該標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。這些芯片大都集成了該標(biāo)準(zhǔn)的物理層功能，可作為傳感器節(jié)點的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實現(xiàn)MAC層功能。 

無線收發(fā)芯片選擇 

無線收發(fā)芯片的選擇主要考慮以下因素： 

① 頻段：IEEE 802.14.5定義了兩種工作頻率。一般來講，高頻率能提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但對天線要求較高，高速率也意味著需要耗費更多的能量。各國對無線電產(chǎn)品都有嚴(yán)格的管理和監(jiān)督，根據(jù)國內(nèi)無線頻譜管理相關(guān)規(guī)定，只能選擇工作在2.4GHz頻段的器件。 

② 調(diào)制方式：無線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高和帶寬窄的特點使得其存在嚴(yán)重的內(nèi)部通信干擾。因此WSN需要實現(xiàn)簡單、抗干擾能力強、功耗低且成本低廉的調(diào)制和擴頻機制。目前廣泛應(yīng)用的包括FSK和OQPSK兩種。其中FSK具有設(shè)備簡單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點，并且具有較好的抗多徑時延性能。

③ 睡眠電流與喚醒時間：傳感器通常處于睡眠狀態(tài)，睡眠喚醒時間以及睡眠電流都是必須考慮的指標(biāo)。表1列出了幾種常見收發(fā)芯片的主要指標(biāo)。綜合考慮以上因素，適合在國內(nèi)使用的射頻芯片是工作在2.4GHz頻段的CC2420和CC2430。

處理器的選擇 

處理器是傳感器節(jié)點的核心，在選擇時，必須滿足體積小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足夠快、成本盡量低等幾個要求。AVR單片機在軟／硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡,是高性價比的單片機。高檔ATMega系列AVR單片機，主要包括ATMega8/16/32/64/128等型號，片內(nèi)集成了較大容量的存儲器(存儲容量分別為8/16/32/64/128 KB)和豐富強大的硬件接口電路，具有先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)。 

傳感器和電源 

傳感器應(yīng)根據(jù)實際的需要進(jìn)行選擇，可以是溫度、濕度、強度、加速度、震動等傳感器。電源采用5號電池。 

節(jié)點參考設(shè)計原理圖 

傳感器節(jié)點參考設(shè)計的電路原理圖如圖2所示。采用CC2420無線收發(fā)芯片作為傳輸模塊，AVR Mega128作為處理器。圖中不包括具體的傳感器器件，可根據(jù)具體的應(yīng)用添加。由Mega128和CC2420可以實現(xiàn)IEEE 802.15.4的物理層協(xié)議。

 
圖2 基于IEEE/ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參考設(shè)計電路圖

電路設(shè)計主要包括三個重點部分，即射頻接口電路、處理器接口電路和上層應(yīng)用接口電路。射頻接口就是CC2420芯片射頻引腳與天線之間的電路。CC2420的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負(fù)載是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計采用50歐姆單極子天線，阻抗匹配電路采用巴倫 (BALUN)。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構(gòu)成(參見圖2)，包括電感L1、L2、L3和電容C3、C4、C5、C6。其中電感L1、L2還為芯片內(nèi)部的低噪聲放大器和功率放大器提供直流偏置。 

結(jié)語 

本文重點討論了基于IEEE 802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的WSN的優(yōu)點及其節(jié)點設(shè)計，低成本、低功耗、應(yīng)用簡單的協(xié)議的誕生為無線傳感網(wǎng)絡(luò)及大量基于微控制應(yīng)用提供了互聯(lián)互通的國際標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的微傳感器之間基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)才能實現(xiàn)互連組網(wǎng)。開放性的產(chǎn)品間的競爭將最終導(dǎo)致傳感器的批量生產(chǎn)并降低成本，從而為推動無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力的契機。