摘要：    無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和ZigBee都是目前研究的熱門(mén)對(duì)象。本文簡(jiǎn)要介紹了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì),重點(diǎn)介紹了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的傳感器節(jié)點(diǎn)模型以及可供選擇的幾款傳輸模塊芯片,并給出了一個(gè)實(shí)際的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：    無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò);802.15.4;ZigBee節(jié)點(diǎn);無(wú)線(xiàn)傳感器

引言

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無(wú)線(xiàn)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(shí)和極低的功率消耗,使用戶(hù)能擁有較長(zhǎng)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(tái)。目前基于該技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)得到越來(lái)越多的關(guān)注。

簡(jiǎn)介

IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無(wú)線(xiàn)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(huì)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(kuò)頻)技術(shù),可提供27個(gè)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(cè),信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示,空閑信道評(píng)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(shí)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(wú)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(wú)線(xiàn)信道的通信安全;使用CSMA-CA機(jī)制;支持保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)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(shì)

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),可在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)通信。另外,采用接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)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(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線(xiàn)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(diǎn),終端節(jié)點(diǎn)一般使用削減功能設(shè)備來(lái)降低系統(tǒng)成本和功耗,提高電池使用壽命。

大容量、短時(shí)延

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

協(xié)議簡(jiǎn)單、高安全性

ZigBee協(xié)議棧長(zhǎng)度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11的1/4,這種簡(jiǎn)化對(duì)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(jí)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(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件參考模型

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去。該節(jié)點(diǎn)同樣包IEEE/ZigBee無(wú)線(xiàn)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(chǔ)器等。

傳感器節(jié)點(diǎn)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(wú)線(xiàn)芯片廠(chǎng)商陸續(xù)推出了支持該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)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(diǎn)的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實(shí)現(xiàn)MAC層功能。

·無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片選擇

無(wú)線(xiàn)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(lái)講,高頻率能提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率,但對(duì)天線(xiàn)要求較高,高速率也意味著需要耗費(fèi)更多的能量。各國(guó)對(duì)無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品都有嚴(yán)格的管理和監(jiān)督,根據(jù)國(guó)內(nèi)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高和帶寬窄的特點(diǎn)使得其存在嚴(yán)重的內(nèi)部通信干擾。因此WSN需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低且成本低廉的調(diào)制和擴(kuò)頻機(jī)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(jiǎn)單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn),并且具有較好的抗多徑時(shí)延性能。

③ 睡眠電流與喚醒時(shí)間：傳感器通常處于睡眠狀態(tài),睡眠喚醒時(shí)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(jiàn)收發(fā)芯片的主要指標(biāo)。綜合考慮以上因素,適合在國(guó)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(diǎn)的核心,在選擇時(shí),必須滿(mǎn)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(gè)要求。AVR單片機(jī)在軟／硬件開(kāi)銷(xiāo)、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡,是高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)。高檔ATMega系列AVR單片機(jī),主要包括ATMega8/16/32/64/128等型號(hào),片內(nèi)集成了較大容量的存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)容量分別為8/16/32/64/128 KB)和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路,具有先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)。

·傳感器和電源

傳感器應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行選擇,可以是溫度、濕度、強(qiáng)度、加速度、震動(dòng)等傳感器。電源采用5號(hào)電池。

節(jié)點(diǎn)參考設(shè)計(jì)原理圖

傳感器節(jié)點(diǎn)參考設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。采用CC2420無(wú)線(xiàn)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(shí)現(xiàn)IEEE 802.15.4的物理層協(xié)議。

圖2 基于IEEE/ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參考設(shè)計(jì)電路圖 

電路設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)重點(diǎn)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(xiàn)之間的電路。CC2420的射頻信號(hào)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(jì)采用50歐姆單極子天線(xiàn),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(jiàn)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(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了基于IEEE 802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的WSN的優(yōu)點(diǎn)及其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),低成本、低功耗、應(yīng)用簡(jiǎn)單的協(xié)議的誕生為無(wú)線(xiàn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn),不同廠(chǎng)商的微傳感器之間基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)互連組網(wǎng)。開(kāi)放性的產(chǎn)品間的競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)無(wú)線(xiàn)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(jī)。

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