基于MCl3192的无线传感器网络节点设计

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MCl3192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
    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、灵括的组网方式。
    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，发射功率仪为1mW，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30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接人的时延为15ms。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 MCl3192芯片与LPC2138芯片简介
    MCl3192是Freescale公司推出的符合ZigBee标准的射频芯片。其工作频率是2．405～2．480GHz，该频带划分为16个信道，每个信道占用5MHz的带宽；采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250kbpes。MCl3192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1μA；②睡眠模式，这种模式下电流在3μA左右；③休眠模式，这种模式下下电流约为35μA。芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为O～4 dBm，接收灵敏度可以达到 92dBm，传输距离30～70m。
    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512KB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lO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町以理想地与MCl3192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。

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、MCl3192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MCl3192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；MCl3192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MCl3192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。MCl3192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MCl3192芯片的XTAL1和XTAL2引脚。电源电路采用两种方式：一种是3.6V干电池；另一种是钮扣电池，可以根据需要选用。

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MCl3192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MCl3192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MCl3192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。

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l节电压为3．6 V、容量为2l00mAh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。

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。