ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋連慶　韓興會(huì)　袁世博　權(quán)　策

（1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院　西安　710048）（2.西安曼海特工業(yè)技術(shù)有限公司　西安　710018）

1　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是能夠在指定區(qū)域內(nèi)獲取無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的一種新型信息獲取系統(tǒng)［1～3］，是由安裝在監(jiān)測范圍內(nèi)的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方法構(gòu)建成的一個(gè)多跳自組織的監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)相對(duì)簡單、設(shè)備功耗較低使得它成為目前搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第一選擇。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、物流管理和環(huán)境監(jiān)測等諸多方面［4～5］。

本文設(shè)計(jì)了一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，介紹了軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)的路由，為企業(yè)生產(chǎn)和生活中需要多點(diǎn)監(jiān)測和布線困難的場所提供一種可行的解決方案。

2　ZigBee平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

平臺(tái)主要由終端采集模塊、無線通信模塊和上位機(jī)組成。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示功能。終端設(shè)備搭載傳感器完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，簡單處理后將數(shù)據(jù)上傳至綁定的父節(jié)點(diǎn)路由器，通過路由器的多跳，將數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起與維護(hù)并與上位機(jī)通信，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的直觀顯示。

圖1　平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3部分。終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，本文將路由器設(shè)置為兼具采集和路由功能，其硬件設(shè)計(jì)與終端設(shè)備一樣，在軟件配置時(shí)有所不同。終端設(shè)備組成框圖如圖2所示。包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊。

圖2　終端設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.1　數(shù)據(jù)處理模塊

本系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片作為核心處理器，它集成了一個(gè)高性能射頻收發(fā)器、一個(gè)增強(qiáng)型8051微處理器、8kB的RAM，擁有可選擇的32/64/128/256 KB 閃存［6～8］。因考慮到 ZigBee協(xié)議棧的運(yùn)行，選擇了256KB的閃存。在接收和發(fā)送模式時(shí)，電流損耗分別為24mA和29mA［9］，能較好地滿足低功耗的要求。CC2530提供了一套廣泛的外設(shè)集，只需很少的外圍電路就可以搭建一個(gè)簡單的ZigBee節(jié)點(diǎn)。

3.2　ZigBee射頻模塊

射頻模塊的設(shè)計(jì)主要考慮晶振電路和天線與巴倫電路的設(shè)計(jì)。CC2530需要2個(gè)晶振，32MHz晶振提供高頻時(shí)鐘，32.768MHz晶振提供低頻時(shí)鐘。本文采用單端天線，為達(dá)到較好的收發(fā)效果設(shè)計(jì)了巴倫電路。射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式，其最佳差分負(fù)載是 115+j180（Ω）［10］，如圖 3 所示。CC2530的射頻輸出引腳通過L1、L2、C8、C9、C11和C17組成的網(wǎng)絡(luò)與外接天線進(jìn)行阻抗匹配，其中L1和C9進(jìn)行濾波，C11起隔直作用，C10進(jìn)行高頻濾波，L2進(jìn)行低頻濾波。

圖3　天線及巴倫電路

3.3　電源模塊

所選用的CC2530芯片具有寬電源電壓范圍，在2V～3.6V電壓范圍內(nèi)都能正常工作［11］，所設(shè)計(jì)終端使用高容量鋰電池進(jìn)行直接供電。

3.4　數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊主要包括傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，傳感器負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控區(qū)域的信息進(jìn)行采集，如溫度、濕度、光照等，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便進(jìn)一步處理。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧。同時(shí)考慮到功耗和時(shí)延問題，采用最小跳數(shù)的自組網(wǎng)方法，提高傳輸?shù)男省-Stack協(xié)議棧使用了 OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）［12～13］，采用輪詢的方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度管理。ZigBee協(xié)議棧由ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層和介質(zhì)訪問控制層之上，將網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行規(guī)范化而形成的［14］。為了使得協(xié)議棧各層能夠獨(dú)立工作，采用了分層結(jié)構(gòu)，對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷模趹?yīng)用層進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)需要。

4.1　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示。上電后進(jìn)行能量掃描，如果發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)絡(luò)，則作為路由加入網(wǎng)絡(luò)，如果沒有網(wǎng)絡(luò)，則選擇一個(gè)沒使用過的PAN ID來組網(wǎng)，并允許節(jié)點(diǎn)綁定，等待設(shè)備入網(wǎng)，設(shè)備成功入網(wǎng)后，獲得短地址，并通過此地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4.2　終端設(shè)備

終端設(shè)備軟件流程如圖5所示。終端上電后進(jìn)行主動(dòng)掃描，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后申請(qǐng)加入，成功入網(wǎng)后將被分配短地址，然后向父節(jié)點(diǎn)發(fā)起綁定請(qǐng)求，成功后定時(shí)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，發(fā)送完畢進(jìn)入睡眠狀態(tài)，定時(shí)時(shí)間到再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送。

圖4　協(xié)調(diào)器軟件流程

圖5　終端設(shè)備軟件流程

4.3　低功耗策略

在終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器的過程中，如果距離太遠(yuǎn)就需要路由器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，理論上可以采用多個(gè)路由器中轉(zhuǎn)的方法，本文考慮到路由器層數(shù)過多會(huì)造成硬件資源浪費(fèi)并且多次路由產(chǎn)生的延時(shí)也不能輕視，故采用了一層路由。

本系統(tǒng)中終端設(shè)備采用輕度睡眠模式［15］，在一次采集數(shù)據(jù)結(jié)束之后，終端設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)，在一個(gè)預(yù)定延時(shí)后通過32.768kHz晶振時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)24位硬件休眠定時(shí)器喚醒設(shè)備，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。休眠定時(shí)器有一個(gè)24位計(jì)數(shù)器和一個(gè)24位比較器，當(dāng)SLEEP_TIMER定時(shí)器計(jì)數(shù)到比較器的設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生中斷喚醒MCU。使終端節(jié)點(diǎn)能夠周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，需要在程序中定義睡眠觸發(fā)事件：

#defineMY_CHANGE_SLEEP_EVT 0x0008

當(dāng)睡眠定時(shí)器溢出時(shí)，會(huì)觸發(fā)睡眠改變?nèi)蝿?wù)事件。操作系統(tǒng)接收到睡眠改變事件后，會(huì)對(duì)該事件進(jìn)行處理。在該事件處理函數(shù)中，程序繼續(xù)進(jìn)入睡眠模式，這樣下來，終端設(shè)備會(huì)在睡眠SleepTimer時(shí)間后醒來，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)包，并在myReportPeriod時(shí)間后再次進(jìn)入睡眠，如此重復(fù)便可實(shí)現(xiàn)周期性睡眠與喚醒這一功能。

5　組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1　組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

圖6　組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由一個(gè)協(xié)調(diào)器、兩個(gè)路由器、四個(gè)終端設(shè)備和一臺(tái)PC機(jī)組成樹型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度監(jiān)測組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。協(xié)調(diào)器采用電源供電，設(shè)計(jì)的路由器和終端設(shè)備可以休眠，使用鋰電池供電。終端設(shè)備分布于需要監(jiān)測的場所，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的采集并通過無線射頻信號(hào)發(fā)射；路由器檢測到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行路徑判斷，將數(shù)據(jù)發(fā)送至下一節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器接收各個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)，進(jìn)而在PC機(jī)上顯示。每隔50s，終端喚醒采集溫度，兩次采集之間，終端睡眠以減少功耗。實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示，溫度值隨環(huán)境的變化而變化。

5.2　系統(tǒng)性能測試

為了對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行有效測試，分別在室內(nèi)和室外兩種情況下測試了距離30m、50m、70m、90m、110m時(shí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸能力，如表1所示。

表1　系統(tǒng)通信性能測試

分析數(shù)據(jù)可知，在室外環(huán)境下，通信距離在90m內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸能力較強(qiáng)且穩(wěn)定可靠；在室內(nèi)環(huán)境下，要保證數(shù)據(jù)的可靠性，通信距離需控制在50m內(nèi)。

6　結(jié)語

本文介紹了基于TI公司CC2530芯片的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以低功耗、低成本為目標(biāo)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，使得平臺(tái)具有較好的通用性和易開發(fā)性，可大大減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間。最后進(jìn)行了組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和通信性能測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中該平臺(tái)的軟硬件穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸效率高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)可在90m范圍內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的傳輸，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)高成本、布線困難等問題，可滿足一般的工業(yè)場所的應(yīng)用。

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