基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線全網(wǎng)休眠低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)

張 弛

(鄭州楓華實(shí)業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000)

1 ZigBee技術(shù)

典型的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)有：藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi等。工作的頻段都是 2.4GHZ，其中 ZIGBEE能夠帶65536個(gè)子節(jié)點(diǎn)。在功耗控制上，ZIGBEE可以做得到微安級(jí)能耗休眠，可靠的穩(wěn)定性和低功耗比藍(lán)牙和WIFI突出的多。ZigBee網(wǎng)絡(luò)非常適合于傳感器這種信息發(fā)送速率要求不高，信息發(fā)送量不大，功耗要求高，節(jié)點(diǎn)密集分布的場(chǎng)所。尤其適合庫(kù)房，展廳，運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI)，但僅對(duì) ZigBee涉及的層面進(jìn)行定義。其中IEEE802.15.4定義了最下面的兩個(gè)層面 PHY和 MAC層。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。

2 MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)即“無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)”，它是基于IP協(xié)議的無(wú)線寬帶接入技術(shù)，支持多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、多跳級(jí)聯(lián)、節(jié)點(diǎn)自我管理等智能優(yōu)勢(shì)。Mesh網(wǎng)絡(luò)更主要的是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要功能體現(xiàn)在無(wú)中心、自組網(wǎng)、多級(jí)跳接和路由判斷選擇等。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可同時(shí)作為路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。

3 全網(wǎng)休眠同步喚醒低功耗模式

本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目的是網(wǎng)絡(luò)在無(wú)數(shù)據(jù)需求時(shí)處于休眠狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需求產(chǎn)生市能快速形成一個(gè)臨時(shí)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，處理完數(shù)據(jù)需求后再次迅速轉(zhuǎn)入全網(wǎng)休眠的模式，這從理論上是非常理想的全網(wǎng)低功耗的模式。全網(wǎng)絡(luò)的功耗決定于：(1)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)生成的速度。全部網(wǎng)絡(luò)的生成速度越快，越能減小工作時(shí)間長(zhǎng)度，從而提供休眠時(shí)間比例，延長(zhǎng)整網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。(2)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力。各個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有轉(zhuǎn)發(fā)能力，可以優(yōu)化路由，方便快速形成的網(wǎng)絡(luò)有最快的路徑找到數(shù)據(jù)要求的節(jié)點(diǎn)。(3)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒頻率。節(jié)點(diǎn)能夠快速喚醒，快速休眠，并能在較高頻率的喚醒下維持低功耗。

采用了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)低延時(shí)，喚醒喚時(shí)間小于15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。(2)時(shí)延短，一般的通信延遲在ms級(jí)

(3)功耗低，休眠電流達(dá)到微安級(jí)別，工作電流不超過(guò)300ma。(4)AT86RF233+ATXMEGA256A3芯片方案

本設(shè)計(jì)采用了MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案。

ATXMEGA256A3芯片簡(jiǎn)介。(1)大容量。ATxmega256A3是一個(gè)FLASH容量為256KB+8KB，EEPROM為4KB，SRAM為16KB，時(shí)鐘為32MHZ的芯片。(2)工作電壓低，電流低。它的工作電壓在1.6-3.6V。休眠模式下，最低功耗可以達(dá)到0.1ua，串口接收發(fā)送電流5.4ua。(3)資源豐富。擁有7個(gè)16位計(jì)數(shù)器，7個(gè)USART口，AES和DES加密數(shù)據(jù)引擎，3個(gè)SPI數(shù)據(jù)總線，5種電源管理模式。(4)支持zigbee協(xié)議棧的APL層面的應(yīng)用。

AT86RF230芯片簡(jiǎn)介。AT86RF230是ATMEL公司的一款專門用于2.4GHZ頻段的低功耗無(wú)線射頻通信芯片。工作環(huán)境是-40度～85度。(1)它在深度休眠模式下的電流可達(dá)至0.02ua，監(jiān)聽模式下的功耗為11.8ma，發(fā)射時(shí)的電流最大也就是13.8ma，低功耗的性能非常明顯。(2)工作電壓在1.8V-3.6v，方便電池電路的供電設(shè)計(jì)。(3)擴(kuò)展性能強(qiáng)。通過(guò)它的SPI數(shù)據(jù)通信接口，可以使用AES128位的加密，隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，低功耗模式等特性，其自身含有128字節(jié)的SRAM，支持電池電量檢測(cè)，支持500KHZ頻道寬度。休眠喚醒延時(shí) ＜0.4msec。

5 網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成，一個(gè)是含有GPRS功能的網(wǎng)關(guān)，它起到全部局域網(wǎng)的總數(shù)據(jù)出入接口的作用;另一個(gè)是各個(gè)帶有各種傳感器探頭的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)，它們形成具體的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布。由于MESH網(wǎng)絡(luò)是無(wú)中心的，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)而言，各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是功能相同，地位平等的。但是考慮到具體的應(yīng)用還是得統(tǒng)一設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，綁定路由使其成為數(shù)據(jù)發(fā)送接收的中心。所有的數(shù)據(jù)最后都要匯總到這里，通過(guò)GPRS或者3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)入INTERNET網(wǎng)，與服務(wù)器的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

6 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)數(shù)據(jù)出口，要有多出口的能力。所以在電路設(shè)計(jì)上專門設(shè)計(jì)有多接口部分，可以設(shè)計(jì)RS485接口，RS232的工業(yè)專用接口，也可以設(shè)計(jì)USB，SPI，TWI等接口。芯片外接一個(gè)SD卡插槽，用于將珍貴數(shù)據(jù)定時(shí)導(dǎo)出，備份。

GPRS芯片負(fù)責(zé)與云服務(wù)層面進(jìn)行通訊，射頻芯片負(fù)責(zé)本地局域網(wǎng)內(nèi)于其他路由節(jié)點(diǎn)的通信。電源模塊主要是電池供電，但留有交流電供電端口。

7 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)具體分布可以設(shè)計(jì)的較為精簡(jiǎn)。主芯片將傳感器采集到的探頭打包后通過(guò)射頻芯片傳輸給網(wǎng)關(guān)，然后自動(dòng)進(jìn)入休眠控制。

8 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了基于ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)和全網(wǎng)休眠同步喚醒的控制邏輯，將MESH網(wǎng)絡(luò)形成最佳網(wǎng)絡(luò)路徑的組網(wǎng)能力和全網(wǎng)休眠的功耗控制能力結(jié)合起來(lái)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗控制通過(guò)同步休眠喚醒大大降低，喚醒后的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力和路徑尋址能力大大提高。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee and Wireless Radio Frequency Coexistence.

[2]彭力.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，2011

[3]黃海昆，鄧佳佳.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[J].電信科學(xué).2010(004)：20-24

[4]彭力.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論.北京航空航天大學(xué)出版社，2011.9