基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究

本文針對于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行了系統(tǒng)的研究設(shè)計，為以后的進一步研究提供一個良好的基礎(chǔ)。

1 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢分析

目前，主要的短距離無線通信技術(shù)除了ZigBee技術(shù)外，還有藍牙、紅外、WiFi和超寬帶通信UWB等。下面將這幾種常見的通信技術(shù)做簡單比較，具體參數(shù)如表1所示。

表1幾種無線技術(shù)的比較

通過以上幾種通信技術(shù)的比較，可以看出，ZigBee技術(shù)在低速率，短距離無線通信方面具有一定的優(yōu)勢，尤其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有很大的發(fā)展前景。它的低功耗延長使用壽命，即使傳輸速率不高，但在感測與控制應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小，速率比較低的的傳輸系統(tǒng)。Zigbee技術(shù)的目標就是針對工業(yè)、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系概述

2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點歲傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點。

匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)化，同時發(fā)布管理節(jié)點的檢測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

2.2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊位傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

本文無線傳感器節(jié)點是基于ZigBee協(xié)議來進行設(shè)計，設(shè)計的思想是要實現(xiàn)低消耗、高靈活、高安全性通信，實現(xiàn)對8路模擬數(shù)據(jù)傳感器信號和SPI、IIC、1-Wire等接口的數(shù)字信號采集與傳輸;實現(xiàn)對節(jié)點電源狀態(tài)檢測等。

2.3 ZigBee的協(xié)議棧概述

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由一些層構(gòu)成，每個層都有一套特定的服務(wù)方法和上一層連接，完成各自的功能。ZigBee協(xié)議的整體框架如表2所示。

表2 協(xié)議棧的整體框架

IEEE802.15.4標準指定了兩個層：物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)作為ZigBee技術(shù)的物理層和MAC層。ZigBee聯(lián)盟在開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）七層模型基礎(chǔ)之上，建立它的網(wǎng)絡(luò)層NWK和應(yīng)用層的框架設(shè)計，這個應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee設(shè)備對象和制造商所定義的應(yīng)用對象。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由微處理器模塊、無線通信模塊、電源管理模塊和系統(tǒng)內(nèi)電池狀態(tài)監(jiān)測及充電模塊等組成，系統(tǒng)還包括其他電路設(shè)計，其中有鋰電池保護電路、RS232串行接口電路、DS18B20數(shù)字傳感器電路、信號調(diào)理電路、LCD接口電路和其他外接口電路等組成。硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2硬件方案框圖

系統(tǒng)的核心部分是微處理器模塊，主要完成節(jié)點設(shè)備的控制與任務(wù)調(diào)度等任務(wù)；而無線通信模塊的任務(wù)是要實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信傳輸；

電源管理模塊主要進行電源上的管理；電池狀態(tài)監(jiān)測及充電模塊則主要對電池電壓、電流、剩余電流以及溫度等各種狀態(tài)的監(jiān)測，并且在電量不足的情況下提供有效的電池充電功能；DS18B20的目的是對節(jié)點所處地域的環(huán)境溫度進行檢測；RS232串行接口電路其設(shè)計目的是完成節(jié)點與計算機間連接的電平轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)中對于傳感器模擬信號進行放大、濾波、隔離、偏置等處理則是由信號調(diào)理電路來完成；鋰電池保護電路是針對電池的安全運行的保護措施；系統(tǒng)中的電池數(shù)據(jù)顯示我們使用LCD模塊來實現(xiàn)；

3.1 微處理器的選型

微處理器是無線傳感網(wǎng)路節(jié)點的核心，在選型時，必須滿足體積小、功能強、外部接口豐富、集成度高、存儲容量大、效率快、功耗小、支持睡眠模式且以擴展等幾個要求，常見的可作為ZigBee節(jié)點的微處理器有Ateml公司的ATmega128L、TI公司的MSP430等。針對其特點，本文選用ATmega128L。

3.2 電源電路設(shè)計

一般而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電設(shè)備是由電池來負責，但是其存在的能量限度問題，因此這就需要對供電線路有更深刻的要求。在保證系統(tǒng)硬件設(shè)備的低功耗前提下，工作電壓采用3.3V，電源采用4.2V的可充電鋰電池，并設(shè)計適合該電源的保護電路來完成正常供電。

3.2.1 電源管理模塊

穩(wěn)壓電源有兩種類型，即開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源主要是通過控制內(nèi)部晶體管工作在飽和、截止狀態(tài)中，從而達到對輸出電壓有效值的調(diào)節(jié)，雖然它的轉(zhuǎn)換效率非常高，但是外圍控制電路卻很復雜，并且輸出的電流會產(chǎn)生較大的疊加波紋，從而產(chǎn)生尖峰脈沖干擾，這將會影響模擬電路工作的穩(wěn)定性。而線性穩(wěn)壓電源的不同則是通過不斷調(diào)整串聯(lián)在輸入和輸出電壓之間的功率晶體管來控制輸出電壓，雖然轉(zhuǎn)換效率比較低，具有一定的壓差，但其線性調(diào)整率較好、外圍電路簡單、體積小、成本低。因此電源管理模塊采用AD公司的低壓差線性穩(wěn)壓電源芯片ADP3338-3.3。

3.2.2 DS2720鋰電池保護電路

本設(shè)計采用鋰電池節(jié)點供電，當它產(chǎn)生短路、充電過壓、過溫、過流、放電欠壓時，系統(tǒng)會因電池的損壞不能正常工作，從而影響系統(tǒng)整體的生命周期。就此問題我們選用DS2720設(shè)計了相應(yīng)的鋰電池保護電路，以保證節(jié)點運行期間的電池安全運行。DS2720為DALLAS公司設(shè)計，它在具有傳統(tǒng)意義上的鋰電池保護功能的同時，還擁有獨特的I-Wire接口，其作用是監(jiān)測電池正常運行中所能發(fā)生的故障。

當電池發(fā)生短路、過溫、充電過壓、放電欠壓、過流等現(xiàn)象時，DS2720能及時通過I-Wire接口把故障信息上傳到ATmega128L，并對電池進行保護。在電池停止供電前，主機可以及時掌握電池故障信息并通過聲、光報警及時反映出來，當有備用電池組時，主機可以通過備用電池組DS2720的64位ROM地址，啟動備用電池組工作。為了提高系統(tǒng)運行效率，電路中，DS2720和DS2720的I-Wire接口分別通過PD5、PB7接至ATmega128L，并需接一個約4.7K的上拉電阻。

4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能軟件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中要完成無線通信，傳感信號采集等多種功能，這些功能的完成是由硬件電路及相應(yīng)的功能軟件實現(xiàn)的。節(jié)點功能軟件包括傳感器數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測電池狀態(tài)信息等模塊。節(jié)點軟件采用WinAVR開發(fā)工具GCC編譯器編寫。

4.1傳感器ADC數(shù)據(jù)采集

ADC采集程序主要完成對節(jié)點壓力、溫度、濕度、振動、光強度等傳感器模擬信號的采樣。

ADC的電壓源VREF我們可以參照AVCC、外接與AREF引腳的電壓或內(nèi)部2.56V基準。然后通過對寄存器ADMUX設(shè)置來進行參考電壓源的選擇。當參考電源發(fā)生改變時，第一次的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果一定會出現(xiàn)誤差，我們應(yīng)將此次轉(zhuǎn)換結(jié)果進行舍棄。節(jié)點則采用REF193芯片提供的外部參考電壓，即3v。

4.2寄存器的配置

ADC轉(zhuǎn)換通過對ADC多工選擇寄存器ADMUX、ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA、ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCL和ADCH的設(shè)置和訪問來實現(xiàn)。ADMUX控制參考電壓源選擇、ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果對齊方式、模擬通道與增益選擇控制。ADCSRA控制ADC轉(zhuǎn)換啟動、ADC中斷、ADC預分頻器等內(nèi)容，ADCL 、ADCH為ADC數(shù)據(jù)寄存器，用于存儲ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

4.3電池狀態(tài)監(jiān)測及充電模塊程序設(shè)計

DS2770是Dallas Semiconductor公司生產(chǎn)的電池電量計及鋰基和鎳基化學電池充電器控制集成芯片，它可以通過Dallasl-Wire接口與電源管理系統(tǒng)進行通信，以讀取電池電壓、溫度等檢測信息，同時讀寫E²PROM，因而可廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中。DS2770工作流程圖3所示。

圖3 DS2770工作流程圖

DS2770每隔一段時間將電池電壓、溫度、電流等參數(shù)分別存入電壓寄存器、溫度寄存器和電流寄存器中。通過記錄電池凈流入流出電流，電流累加器可以估計剩余電量。DS2770對電壓、溫度、電流、剩余電量的測量通過讀取相應(yīng)的寄存器獲取。DS2770監(jiān)控程序如下：

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define CLK_0()         (PORTD &= ~BM(CLK))
void delay(void);
void lcd_earse(void);
int fmai;
unsigned char reset(void)//復位
{
    //int fmai;
DQ_0();
    _delay_us(29);
    DQ_1();
    _delay_us(2);
fmai=(PORTA >> DQ) & 0x01;
    //fmai=P10; //定義返回變量
    _delay_us(25);
    return(fmai);
}

結(jié)語：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù)，在特殊領(lǐng)域，它有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。 對其的進一步研究，將滿足中國未來高技術(shù)民用和軍事發(fā)展的需要，不僅具有重要的社會和經(jīng)濟意義，也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

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