基于ZigBee的无线传感器网络硬件设计

引言

    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。[page]

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。

SoC芯片CC2430

    CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频前端、内存和微控制器。它使用1个8位8051 MCU，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

    得益于CC2430的高集成度，其外围电路非常简单，只需要数量很少而且廉价的外围元件，即可完成无线传感器节点的数据传输和处理功能，因而大大降低了成本。

传感器模块

    根据实际需要选择不同的传感器对监测区域内温度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行检测。可选用了光敏器件、数字格式传感器和驻极体话筒，对光强、温度、振动和声音等进行探测。

    光敏电阻5516是基于半导体光电效应工作的光导管，对光强感应灵敏度相当高，当受到一定波长范围的光照时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电流迅速增加，通过参考电阻分压后进行模数变换即可获得光敏电阻的阻值，进而换算出光照强度。

    Maxim公司的DS18B20是一线式数字温度传感器，测量结果可选用9～12位串行数据输出，测量范围-55～125℃，在-10～85℃测量准确度为±0.5℃。

    驻极体话筒HX034P是电容式微麦克风。输入信号为声音信号，输出信号经MAX4466构成的前置放大电路后进行电压值A/D采样，处理器的A/D采样频率可达200KHz，可捕获到声音信号。

    ADI公司的ADXL202是双轴向加速度传感器，它采用先进的微型机电系统技术，在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器，集成精确的信号处理电路，可测静态及动态加速度。该传感器可广泛应用于惯性导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运动状态测试等领域。

    结合使用上述几种传感器和敏感器件的无线传感器网络节点，能够实现温度、加速度(震动)的准确测量与探测，光敏电阻有其自身的光谱特性和温度特性，因此在设计中不作精确标定；另外对声音信号的捕获和复现需要进行大量的数据处理，从能量利用和传感器节点功能的精简角度考虑，设计中对声光强弱的探测通过设定阈值来给出布尔型输出。

电源模块

    实现节点设计的微型化，节点可采用输出电压3.6V可充电锂离子钮扣电池LIR2032供电。该类电池自放电率小于10％每月，但额定容量较小，限制了节点的生存期，若以两节5号电池供电，则可维持更长的工作时间，在以网络形式工作状态下通过合理的设置节点发射极的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点的使用寿命。针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，新的能源解决方法研究及网络系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题。[page]

阻抗匹配网络
  
    CC2430的射频信号采用差分方式，其最佳差分负载阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。本设计采用50欧姆单极子天线，由于CC2430的射频端口是差分形式具有两个端口，而天线是单端口，因此需要一个巴伦来完成两端口到单端口间的转换。巴伦电路由成本低廉的电感和电容构成，如图4所示，包括电感L1、L2、L3和电容C1和两段长的传输线。

Sink节点的硬件设计

    无线传感器网络内的信息与外部网络或处理终端间的连接需要通过Sink节点来实现，Sink节点是无线传感器网络与有线设备连接中转站，负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)，接收下层节点请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择功能，是无线传感器网络中最重要的一部分。我们设计的Sink 节点带有USB数据口和RS232数据口，两种数据口可以通过开关进行切换，以方便Sink与外部网络或处理终端间的连接。

    图5是我们设计的Sink节点的结构框图，仍然采用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。TTL与RS232电平转换单元选用MAX 3316芯片，该芯片在2.25～3.0V供电即可实现两通道双向电平转换，可直接操作CC2430芯片串行数据线和控制线。CC2430的外围电路设计与传感器节点相同。

结语

    基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、低成本、体积小的显著优点，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理。伴随无线自组织网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将从军事、环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测普及到生活中的各个领域。