基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计

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 引言

目前发展较成熟的几大无线通信技术,往往比较复杂,不但耗费较多资源,成本也较高,不适于短距离无线通信。ZigBee技术的出现就弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,大大减少资源的浪费,且有很大的发展前景。

ZigBee技术是在IEEE 802.15.4协议标准的基础上扩展起来的,是一种短距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术。该技术主要针对低速率传感器网络而提出,能够满足小型化、低成本设备的无线联网要求,可广泛应用于工业、农业和日常生活中。

ZigBee无线网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇状网络三中拓扑结构。ZigBee网络有两种类型的多点接入机制。在没有使能信标的网络中,只要信道是空闲的,任何时候都允许所有节点发送。在使能信标的网络中,仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标知为信标帧的超级帧开始发送,并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙,在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙,在此时隙内所有节点竞争接入信道。

1 无线传感器网络节点硬件设计

本文采用集成MCU+射频收发模块的SOC设计方式,这种组合方式的兼容性与芯片之间的数据传输可靠性强,而且能实现节点的更微小化和极低的功耗。

1.1 无线传感器网络节点组成

无线传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块组成,如图1所示。数据采集单元用来采集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、加速度及大气压力等;数据处理单元控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理和任务管理等;数据传输单元用于与其他节点进行无线通信、交换控制消息及收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器。


1.2 CC2430模块

本文采用CC2430芯片为核心来设计传感器节点。CC2430芯片是挪威Chipcon公司推出的符合IEEE802.15.4标准ZigBee协议的Soc解决方案。适合于各种ZigBee的无线网络节点,包括调谐器、路由器和终端设备。CC2430模块采用0.18 um CMOSSE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或者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长的应用。
CC2430有两个串行通信接口USART0和USART1。两个串口既可以工作于UART(异步通信)模式,也可工作于SPI(同步通信)方式,模式的选择由串口控制/状态寄存器的UOCSR.MODE决定。

UART模式的操作具有下列特点:8位或9位数据;奇校验、偶校验或无奇偶校验;配置起始位和停止位电平;配置LSB(低有效位)或者MSB(高有效位)优先传送;独立收发中断;独立收发DMA触发;奇偶校验和帧校验出错状态。

1.3 无线传感器网络节点设计

由于CC2430是无线SOC设计方案,其内部已集成大量必要的电路,因此只需采用较少的外围电路即可实现信号的收发功能。

在传感器模块的设计上,由于CC2430的外设接口是可配置的,把它的接口用插针引出,可以根据不同的应用随时添加不同的传感器。RF天线的设计:CC2430可以使用不同类型的天线,其中偶极子差分天线是最容易接口的,不需要巴伦(网络平衡到不平衡转换器)。而且考虑到无线传感器网络节点的低功耗特性,使用差分天线以提供最大范围。λ/2偶极子天线长度为L=14250/f,f的单位为MHz,L的单位为cm。因此,2450MHz的天线必须是5.8cm,天线每一边是2.9cm。由于传感器节点的功耗很低,所以传感器节点可以使用两节干电池供电,但在取4V~10V方便的场合,可以提供一个稳压3.3V直流的接口电路,如图2所示。



2 无线传感器网络节点的通信实现

CC2430仿真器通过USB接口直接连接到电脑和CC2430的ZigBee模块,完成代码高速下载、在线调试、硬件中断、变量观察、寄存器观察等实现节点硬软件的在线仿真、调试、测试。其仿真硬件连接图如图3所示。

通信流程如图4所示。通过上位机向节点发送读取信息的指令,节点的射频模块接收到指令后传给主控制器,然后主控制器向传感器发送命令完成读取指令,射频模块再将它们收集的信息转发给上位机,上位机对其数据进行分析,再根据数据的正确与否进行处理。

3 结束语

本文将ZigBee技术应用于CC2430,为RF收发器实现了无线通信。无线传感器网络的研究虽然在国内外都取得了很大的发展,但有些技术仍有待完善。如无线传感器网络节点一般工作在恶劣的环境,要更换电池很难或者是不可能,所以节点的低功耗问题也有待得到深刻的研究。

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