基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信

劉　博

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，河南　鄭州　450044）

基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信

劉博

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，河南鄭州450044）

文章介紹了基于IEEE 802.15.4的無(wú)線通信協(xié)議——ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）通用節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信的軟硬件平臺(tái)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的方案，并從硬件和軟件兩方面解決了節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠從一定程度上減小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功耗。

ZigBee協(xié)議；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)

1　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。

1.1無(wú)線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的，具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。大量傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量隨機(jī)的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離一般很短，采用多跳（Multi Hop）的無(wú)線通信方式進(jìn)行通信，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沿著網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳感網(wǎng)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到因特網(wǎng)，用戶可以通過(guò)它實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

1.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要是傳感器節(jié)點(diǎn)，它由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。

傳感器模塊：由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

處理器模塊：由嵌入式系統(tǒng)組成，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

無(wú)線通信模塊：由網(wǎng)絡(luò)、媒體接入控制（Media Access Control，MAC）和收發(fā)器等模塊組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。

能量供應(yīng)模塊：為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

1.3節(jié)點(diǎn)存在問(wèn)題及對(duì)策

傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的時(shí)候，難免會(huì)遇到以下一些問(wèn)題：本文設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)用價(jià)值的通用節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)，節(jié)點(diǎn)通信采用短距離無(wú)線技術(shù)即ZigBee（短距離低功耗的無(wú)線通信技術(shù)）技術(shù)，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）通用節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信的軟硬件平臺(tái)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的方案，通過(guò)降低系統(tǒng)的工頻、把模塊空閑未用的引腳接地等方法很好地解決了節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠很好地減少了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功耗。

2　系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1整體結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由4個(gè)部分組成，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2節(jié)點(diǎn)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件主要是通信模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)、處理器和電源幾部分組成，所有模塊選取低功耗電子器件，節(jié)點(diǎn)的硬件組成如圖2所示。

圖2　硬件組成

2.3軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)試的時(shí)候，采用串口通信模式，采用通串線（University Serial Bus，USB）接口與PC機(jī)通信，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用中斷的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的傳送是：從節(jié)點(diǎn)可以向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請(qǐng)求。整個(gè)軟件分為以下幾個(gè)部分。

主程序：主要是初始化單片機(jī)串口和設(shè)置ZigBee模塊的一些參數(shù)。

建立通信鏈路子程序：建立節(jié)點(diǎn)和處理器之間的無(wú)線通信。

數(shù)據(jù)處理子程序：處理節(jié)點(diǎn)收發(fā)采集的數(shù)據(jù)。

打包發(fā)送子程序：打包發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

中斷接收子程序：主程序初始化后開(kāi)中斷，運(yùn)行中循環(huán)等待下一個(gè)中斷。

另外，傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，單片機(jī)開(kāi)始初始化串口和ZigBee模塊，系統(tǒng)建立通信鏈路后進(jìn)入休眠模式。

3　系統(tǒng)測(cè)試與分析

該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)以下幾種方法處理后，能夠有效降低系統(tǒng)的功耗，幾種方法的測(cè)試結(jié)果如下。

（1）降低系統(tǒng)的工作頻率。試驗(yàn)測(cè)試如下：系統(tǒng)上電后，時(shí)鐘為8MHz時(shí)，測(cè)得總消耗電流為71mA：將頻率改為2MHz時(shí)系統(tǒng)正常工作，消耗電流則降低至60mA。

（2）在保證系統(tǒng)正常工作時(shí)將閑置的引腳接地。試驗(yàn)測(cè)試如下：系統(tǒng)上電（3.3V）后，工作頻率一定，懸空的引腳時(shí)測(cè)得消耗總電流為69mA；當(dāng)降低系統(tǒng)供電至2.7V后，在同樣條件下，測(cè)得總電流消耗下降為51mA。

（3）利用處理器的在睡眠模式下和無(wú)線通信模塊的工作模式的合理切換，有效地降低系統(tǒng)的功耗。在工作狀態(tài)（接收模式）下3.3V供電，消耗電流為52mA；在發(fā)送模式下，3.3V供電，電流為67mA，2.7供電時(shí)電流為52mA。在節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信時(shí)使處理器進(jìn)入“睡眠模式”狀態(tài)，這時(shí)切斷ZigBee模塊的部分電源可以達(dá)到節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在無(wú)線通信模塊在空閑模式下3.3V供電時(shí)，總消耗電流為18mA。

通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果表明，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采取降低工作頻率、在保證系統(tǒng)正常工作時(shí)將閑置的引腳接地、利用處理器的在睡眠模式下和無(wú)線通信模塊的工作模式的合理切換，有效地降低系統(tǒng)的功耗。

［1］尹勇，龍毅宏.嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：107-109.

［2］金海紅.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及其通信的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］田會(huì)峰，袁明新.基于無(wú)線傳感網(wǎng)的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2014（9）：36-39.

［4］居萬(wàn)春.基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)路及應(yīng)用［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2013（10）：68.

Design and communication based on ZigBee wireless sensor network node

Liu Bo
（Information and Electronic Engineering School of Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450044， China）

This paper introduces the characteristics of structure and technology of wireless communication protocol ——ZigBee protocol based on IEEE 802.15.4 protocol， and proposes the basic framework of the general node of wireless sensor networks（WSN）and designs a software and hardware platform based on ZigBee wireless sensor network node communication， then provides the system design scheme which resolved the power consumption of nodes from two aspects of hardware and software. This experimental results show that the method can reduce power consumption of node system to a certain extent.

ZigBee protocol； wireless sensor network； node

劉博（1986— ），男，河南南陽(yáng)。