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無線傳感器網絡是由大量隨機部署在被監測區域內的節點通過自組織方式構成，廣泛應用于軍事與民防、環境生態觀測、醫療護理、智能建筑等領域。傳感器節點是無線傳感器網絡的基本組成單元，它是由傳感器、處理器、無線收發和能量供應四個模塊組成。無線傳感器網絡則是由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數據處理功能的傳感器節點組成，因此，節點設計的好壞將直接影響到整個網絡的質量。本文基于無線傳感器的結構和特點，自主設計了一種基于針對ZigBee協議、以CC2430芯片為核心的無線傳感器網絡節點的設計方案。 1 ZigBee技術 無線傳感器網絡中的傳感器節點之間互聯采用短距離的無線通信方式，現在流行的無線短距離通信技術主要有紅外技術(IrDA)、藍牙技術(Bluetooth)、無線局域網技術(Wi-Fi)等。表1列出了ZigBee技術與這些短距離無線通信技術的比較，從表中不難看出，各種通信技術都具有各自的特點，適用于不同的場合。紅外技術由于其傳輸距離有限、傳輸方向性強等缺點，在應用范圍上受到了一定程度的限制；藍牙技術只能配置7個節點，制約了其在大型傳感器網絡開發中的應用；無線局域網技術發射功率比較大，大多數便攜Wi-Fi裝置都需要常規充電，從而限制了它在工業場合的推廣和應用。 在比較之下，ZigBee技術具有成本更低、網絡容量更大、功耗更低、時延更短等優點，故而本文選取了Zig-Bee技術為無線傳感網絡提供互聯互通的平臺。ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的無線傳輸技術，它工作于無需注冊的2．4 GHz ISM頻段，傳輸速率為100～250 Kb／s，傳輸距離為10～75 m，典型距離為30 m。ZigBee是IEEE 802．15．4標準的擴展集，它基于標準的7層開放式系統互聯(OSI)模型。網絡層(NWK)和應用層(APL)的框架設計是由ZigBee聯盟負責制定，IEEE則制定物理層(PHY)和介質接入控制層(MAC)標準。其中，APL的框架包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)以及由制造商指定的應用對象。ZigBee的體系結構如圖1所示。 2 無線傳感器網絡節點的設計與實現 2．1 節點總體設計 無線傳感器網絡節點通常由四個主要模塊構成：傳感器模塊(傳感器、信號調整、A／D轉換器)、處理器模塊(微處理器、存儲器)、無線收發模塊(無線網絡、MAC、收發器)和能量供應模塊(電源、AD-DC)。此外，還可選擇其他附加的功能模塊，例如定位模塊、移動設備模塊等。無線傳感器網絡節點其實現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無線方式準確地發送出去。圖2描述了傳感器節點的組成。 2．2 節點硬件設計 2．2．1 處理器模塊和無線收發模塊 CC2430芯片延用了CC24．20芯片的架構，實現了系統芯片(SoC)解決方案。它能夠滿足ZigBee為基礎的2．4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包括模／數轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協同處理器、看門狗定時器(WatchDog Timer)、32 kHz晶振休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21個可編程I／O引腳。 CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。 2．2．2 傳感器模塊 設計中采用了數字溫濕度傳感器SHT11 ，該傳感器通過無線網絡對監測區域內溫度和濕度進行數據采集工作，具有極高的安全性、可靠性和長期穩定性。sHT11的供電電壓為2．4～5．5 V，測濕精度為±3．0％RH，在溫度為25℃時測溫精度為±0．4℃，其封裝形式采用了SMD(LCC)貼片封裝，該傳感器與CC2430的典型應用接口電路如圖3所示。在圖3中，CC2430與SHT11連接，只需要用2條I／O口線分別作為數據線DATA和時鐘線SCK，并在DATA端口接入一只上拉電阻，用于將信號提拉為高電平，同時在VDD及GND端口接入一只去耦電容，通過相應的軟件設計即可完成數據的采集與傳輸。 2．3 節點軟件設計 無線傳感器網絡節點系統的軟件設計主程序流程如圖4所示。 其中調用了多個子程序模塊用來處理相應的功能。初始化模塊來初始化系統及ZigBee模塊，使系統的工作頻率保證在RF正常工作的32 MHz的晶振頻率；查詢模塊用來查詢附近通信節點的信息；通信鏈路模塊用來建立監測區域內節點間的數據鏈路；數據通信模塊用來接收并分析無線傳感器網絡節點發來的數據信息，處理后將數據信息發送出去。 3 結 語 無線傳感器節點對于整個無線傳感器網絡的開發和應用都起著至關重要的作用，作為整個無線傳感器網絡的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、智能化、節能化的方向發展。本文在分析了ZigBee協議特點的基礎上，設計了適應于無線傳感器網絡發展方向的節點，圍繞此方案實現了采用sHT11溫濕度傳感器、SoC系統芯片CC2430的具有廣泛用途的無線傳感器網絡節點硬件及軟件的設計，經過測試其運行穩定可靠。本文為上層通信協議設計提供了基礎，具有一定的研究意義。 |
