采用MC13192的无线传感器网络节点设计方案

引言

　　无线传感器网络是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物，是互联网领域研究的热点之一。应用于无线传感器网络的技术有许多种（如蓝牙技术、红外技术和超带宽无线通信技术等），推动了无线传感器网络的发展。但是，在家庭控制、医疗护理和工业监测应用中不需要很高的带宽，需要的只是低延迟、低功耗；而如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术，将非常耗电，占用过多的计算和通信资源。为满足上述要求，ZigBee技术应运而生。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，把低功耗、低成本作为重要目标，主要应用于低速传输，可以作为无线传感器网络的通信协议。

　　传感器节点是组成无线传感器网络的基本单元，是构成无线传感器网络的基础平台。ZigBee网络节点通常是一个微型嵌入式系统，完成数据的采集、处理和传送，是决定网络性能的重要因素。本文采用Freescale公司的ZigBee无线收发射频芯片MC13192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138，完成了无线传感器网络节点的设计，给出了软、硬件设计方案，并且在硬件基础上进行了结果分析。

1  ZigBee技术及其优势

图1  ZigBee协议栈结构 [page]

　　ZigBee协议标准是由ZigBee联盟与IEEE 802.15.4的任务小组来共同制定的，其协议栈主要由5层体系组成，结构如图1所示。其中，物理层和MAC层标准主要由IEEE 802.15.4的任务小组完成；网络层和安全层由ZigBee联盟制定；应用层的开发则根据用户的应用需要对其进行开发，用户提供机动、灵活的组网方式。

　　ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务，特别是无线传感器网络，因为它具有以下优点：

　　功耗低。由于其传输速率低，发射功率仅为1 mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节五号电池就可以维持长达6个月～2年左右的使用时间。

　　时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备的时延为30 ms，休眠激活的时延为15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此，ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制等应用。

　　网络容量大。一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，一个区域内最多可以同时存在100个独立而且互相重叠覆盖的ZigBee网络。

　　安全可靠。采取了碰撞避免策略，避开了发送数据的竞争和冲突；采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；还提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证。

　　基于以上特点与优势，ZigBee技术在无线传感器网络中的应用将有广阔的发展空间。

2  MC13192芯片与LPC2138芯片简介

　　MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee标准的射频芯片。其工作频率是2.405～2.480 GHz，该频带划分为16个信道，每个信道占用5 MHz的带宽；采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250 kbps。MC13192具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。为了适应低功耗的要求，芯片除了接收、发送和空闲3种工作状态外，还有3种低功耗运行模式： ①  掉电模式，这种模式下芯片电流小于1 μA；②  睡眠模式， 这种模式下电流在3  μA左右；③  休眠模式，这种模式下下电流约为35 μA。芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为0～4 dBm，接收灵敏度可以达到-92 dBm，传输距离30～70 m。

　　LPC2138芯片是Philips公司推出的一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7微控制器。它具有丰富的片上存储功能，带有512 KB嵌入的高速Flash存储器和32 KB片内静态RAM；还带有多个串行接口，2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器和47个GPIO，以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。LPC2138有两种低功耗模式： 空闲模式和掉电模式。较小的封装和极低的功耗使其可以理想地与MC13192结合，作为基于ZigBee技术的无线传感器网络节点。

3  无线传感器网络节点设计

　　传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等功能模块组成，如图2所示。数据采集单元负责采集监视区域的信息并完成数据转换，采集的信息包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理单元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；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器。

图2  传感器节点组成框图

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3.1  节点硬件设计

　　图3是节点的硬件原理图。电路外围元器件较少，主要包括6个模块： LPC2138 MCU模块、MC13192无线射频模块、电源模块、UART串口模块、JTAG接口模块和数据采集I/O模块。LPC2138和MC13192通过SPI总线连接。LPC2138的SPI接口工作在主机模式，是数据传输的控制方；MC13192设为从机模式。LPC2138通过4线SPI接口对MC13192的内部寄存器进行读写操作，从而完成对MC13192的控制以及数据通信。由传感器输出的模拟信号经过10位A/D变换后输入到LPC2138中，LPC2138将传感器采集的信号经过处理后通过MC13192发射出去。对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来，通过SPI传送到LPC2138上，经过其判断处理后通过GPIO口传送到传感器上，以实现对传感器的控制。MC13192芯片指定的晶振频率为16 MHz，考虑到晶振对通信质量的影响，在制作PCB板时应将晶振的位置尽可能地靠近MC13192芯片的XTAL1和XTAL2引脚。电源电路采用两种方式： 一种是3.6 V干电池；另一种是钮扣电池，可以根据需要选用。

图3  节点硬件原理图

3.2  节点软件设计

　　按照硬件电路设计思路，软件采用模块化结构程序设计方式。软件模块包括： 数据发送模块、数据接收模块、UART串口模块、LPC2138与MC13192连接的SPI模块、中断服务模块。系统软件编程的基本思路： 先对SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口进行初始化；使能SPI端口、UART端口和A/D；初始化MC13192芯片；开启接收机后，即可运行任务程序，实现接收或发送数据。这里简要给出LPC2138与MC13192之间的SPI通信程序。发送和接收程序流程如图4和图5所示。

void SPIDrvWrite (uint8 u8Addr, uint16 u16Content) {/*SPI写函数*/
　　uint8 u8TempValue;
　　MC13192DisableInterrupts();/*禁止MC13192产生中断请求*/
　　IO1CLR = MC13192_CE;/*使能MC13192 SPI */

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　　SSPDR = (uint8)(u8Addr & 0x3f);/*写入要访问的6位地址，设置写*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);/*等待发送栈为空*/
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);/*等待状态寄存器空闲*/
　　u8TempValue = SSPDR;/*清空地址中的内容*/
　　SSPDR = (uint8)(u16Content >> 8);/*写高字节*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u8TempValue = SSPDR;
　　SSPDR = (uint8)(u16Content & 0x00FF);/*写低字节*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u8TempValue = SSPDR;
　　IO1SET = MC13192_CE;/*禁止MC13192 SPI*/
　　MC13192RestoreInterrupts(); /*恢复MC13192中断状态*/
}
uint16 SPIDrvRead (uint8 u8Addr) {/*SPI读函数*/
　　uint8 u8TempValue;
　　uint16 u16ret;
　　SPIClearRecieveStatReg(); /*清状态寄存器*/
　　SPIClearRecieveDataReg();/*清接收数据寄存器*/
　　MC13192DisableInterrupts(); /*禁止MC13192产生中断请求*/
　　IO1CLR = MC13192_CE;/*使能MC13192 SPI */
　　SSPDR = (uint8)((u8Addr & 0x3f) | 0x80);/*写入要访问的6位地址，设置读*/
　　while((SSPSR & 0x01) == 0); /*等待发送栈为空*/
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);/*等待状态控制器空闲*/
　　u8TempValue = SSPDR;
　　SSPDR = (uint8)0xFF;
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u8TempValue = SSPDR;/*存放高字节数据*/
　　SSPDR = (uint8)0xFF;
　　while((SSPSR & 0x01) == 0);
　　while((SSPSR & 0x10) != 0);
　　u16ret = SSPDR;/*存放低字节数据*/
　　u16ret=u16ret+u8TempValue*256;/*存放一个完整字*/
　　IO1SET = MC13192_CE;/*禁止MC13192 SPI*/
　　MC13192RestoreInterrupts();/*恢复MC13192中断状态*/
　　return u16ret;
}

图4  发送程序流程　　　　图5  接收程序流程

3.3  实验结果

　　图6为硬件节点实物图。该电路板经过仿真调试应用良好，可以实现多个节点间的通信；在实验电路板上设置了一个LED，可以通过灯的闪烁来指示信息接收的质量以及接收的成败；能够利用串行接口与计算机进行通信，并且可以通过JTAG接口电路进行程序的固化。初步的实验表明： 通信距离基本达到预期目标，在空旷地带以最大功率传输，可以以较小误码率传输60多米。采用1节电压为3.6 V、容量为2 100 mAh的干电池供电时，节点连续工作的时间为3～4天。如果使得该节点始终工作在超低功耗的工作状态，则其工作时间可以超过1年，能够满足特定应用场合对电池寿命的要求。

图6  硬件节点实物图

结语

　　经实验证明，以MC13192和LPC2138为核心构造的无线传感器网络节点，在功耗、传输距离以及无线传输速率等性能上都能满足应用要求。在此方案基础之上，通过移植ZigBee协议栈，可以构建ZigBee网络的网络层、应用层及安全层，再配以满足特定要求的传感器便可实现具体的应用网络。