基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计

摘要：文中基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计，分析了ZigBee技术的优点，并将ZigBee技术与无线传感技术结合起来，详细介绍了传感器节点的硬件基本组成及设计。经验证，该设计方法简单可靠，功耗小，成本低，适合低速率的传输，具有广泛的应用前景。
关键词：ZigBee；无线传感器网络；节点；CC2430

0 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。