同曉榮

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

同曉榮

介紹ZigBee技術(shù)，闡述了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。完成了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件部分和軟件部分設(shè)計，其中包括主芯片CC2430、外圍設(shè)備、射頻模塊、電源模塊、傳感器模塊和接口電路等，通過實驗?zāi)M了所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性和可靠性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；構(gòu)建；CC2430

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,簡稱WSN）是當(dāng)前國際上備受關(guān)注、涉及多個學(xué)科、知識高度集中的前沿?zé)狳c和研究領(lǐng)域,它綜合了傳感器、微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境信息的實時監(jiān)測、感知、采集和處理，并以自組織多跳的無線通信方式將數(shù)據(jù)信息傳送到用戶終端[1]，從而實現(xiàn)了科學(xué)世界與人類生活的完美貫通。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域都有著極其廣泛的用途，作為極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用將會給人類的生產(chǎn)和生活帶來巨大的影響。而低功耗、低成本、應(yīng)用簡單方便的ZigBee技術(shù)的誕生為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和開拓起到了巨大的推動和促進(jìn)作用。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的，是一種通過簡捷方式實現(xiàn)“無線”溝通的方式。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[1]，也包含了這種寓意。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為 IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用。Zigbee 聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。因此該技術(shù)能夠為用戶提供機(jī)動、靈活的組網(wǎng)方式，ZigBee成為部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。

2 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計方案

傳感器節(jié)點[2]是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、無線通信模塊(包括處理器)和電源模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。傳感器節(jié)點總體設(shè)計如圖1所示：

圖1 傳感器節(jié)點設(shè)計框圖

2.2 主控模塊的選擇

選用理想的ZigBee實現(xiàn)方案可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，減少成本。選用芯片時，應(yīng)充分考慮芯片的集成度、封裝、管腳數(shù)目、外圍電路、發(fā)射功率和擴(kuò)展性等因素。根據(jù)上述要求綜合比較后，本文采用TI公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案，它成本低，體積小，外圍設(shè)備豐富且電路簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)、而且能夠勝任WSN節(jié)點的功能和作用[3]。

CC2430 整合了工業(yè)界領(lǐng)先的 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機(jī)CC2420以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU的卓越性能，還包括了8KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他的強(qiáng)大特性。CC2430芯片上系統(tǒng)（SOC）是高度集成的解決方案[4-5]，僅需很少的外圍電路，且選用的原件成本低，可支持快速、廉價的ZigBee節(jié)點的構(gòu)建。CC2430保持了CC2420所包括的卓越射頻性能，包括超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力。所集成的MCU為強(qiáng)大的8位、單周期8051微控制核心（其典型性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051性能的8倍）。另外，CC2430還包括了許多強(qiáng)大的外設(shè)資源，比如DMA (Direct Memory Access,直接存儲器訪問)、定時/計數(shù)器、看門狗定時器（watchdog timer）、AES-128協(xié)處理器，8-14位 ADC、USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）、32KHz晶振的睡眠模式定時器、上電復(fù)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。

2.3 傳感器節(jié)點功能模塊選擇

傳感器節(jié)點的功能模塊包括射頻通信模塊、電源模塊、傳感器模塊和通信接口模塊。

2.3.1 射頻通信模塊

CC2430高頻無線模塊是CC2430F-128的片上系統(tǒng)，具備了高速、超低功耗的8051內(nèi)核和128kb/s的高速無線通信接口等它采用直擴(kuò)序列調(diào)制(DSSS)頻譜傳輸，可自動跳頻、防沖突、防碰撞，從而提高了傳輸可靠性。它在待機(jī)狀態(tài)下的工作電流僅為0.2μA，從而實現(xiàn)了更低的功耗。

32KHz時鐘驅(qū)動睡眠定時器和看門狗定時器，并當(dāng)計算睡眠時期的時間時，作為MAC定時器的閘門。應(yīng)用RF收發(fā)器時，必須選擇32 MHz晶振，確保其穩(wěn)定。因此在外圍電路中設(shè)計了32 MHz和32 KHz兩個晶振電路，32KHz晶振設(shè)計成運行在32.768 KHz，需要時間精度時，為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的時鐘信號。

CC2430射頻模塊天線的選擇直接影響到它的RF能力大小。常見的天線有PCB天線（PCB antenna），貼片天線（chip antenna）和帶連接器的鞭狀天線（whip antenna）。為了保證節(jié)點有足夠的發(fā)射能力，我們最看重性能，所以這里我們選用鞭狀天線。但是如果簡單的近距離發(fā)射，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的精簡功能節(jié)點也可選貼片天線，它的尺寸小，價格便宜。

2.3.2 電源模塊

由于CC2430的電源要求為2.0-3.6V，和傳感器節(jié)點使用相同電壓。為了使傳感器節(jié)點獲得穩(wěn)定電源，傳感器節(jié)點使用直流供電和電池供電。直流供電優(yōu)先啟用，當(dāng)直流電掉電時，電池開始供電。直流電源使用交流220V變到直流5V的電源模塊，電池供電使用3節(jié)5號干電池。為了將5V和4.5V電源變到3.3V電源，使用電平轉(zhuǎn)換芯片TPS7333Q實現(xiàn)。

2.3.3 接口和傳感器模塊

接口模塊用于射頻芯片CC2430與計算機(jī)間的通信。一般來說，計算機(jī)與微控制器之間常用的串行通信協(xié)議有RS232和RS485。RS232比RS485要簡單、靈活，而且大多數(shù)普通計算機(jī)和單片機(jī)使用常用的 RS232串行通信。本研究中使用RS232與PC機(jī)通信。

2.3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

CC243O的ADC支持14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這與一般的單片機(jī)的8位ADC不同，這個ADC包括一個參考電壓發(fā)生器、8個獨立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過DMA模式把轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入內(nèi)存控制器。

ADC可完成順序模/數(shù)轉(zhuǎn)換并把結(jié)果送至內(nèi)存（使用DMA模式），而不需要CPU的干涉。ADC寄存器包括ADCL（ADC數(shù)據(jù)低位）、ADCH（ADC數(shù)據(jù)高位）、ADCCCONI、（ADC控制寄存器1）、ADCCCONZ（ADC控制寄存器2）、ADCCCON3（ADC控制寄存器。

3 ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計方案

軟件設(shè)計主要包括串口通信模塊和射頻通信模塊[6]，其中射頻通信模塊包括射頻模塊初始化、發(fā)射與接收。主要步驟如下：

（1）初始化，主要是串口UART的初始化。串口UART的初始化函數(shù)為voidHalUARTInit(),該函數(shù)沒有任何參數(shù)和返回值。

（2）掃描信道，使用 void MAC_MlmeScanReq（macMlScanReq_t*pData)函數(shù)完成，因為節(jié)點工作在2.4G的頻段上，共掃描16條信道。pData為指向參數(shù)結(jié)構(gòu)體的指針。

（3）執(zhí)行綁定，以建立邏輯鏈路。使用函數(shù)ZDP_EnddeviceBindReq()通過該綁定請求函數(shù)，完成綁定的功能。

（4）建立邏輯鏈路之后，如果有數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱?，就?zhí)行相應(yīng)的程序。數(shù)據(jù)的處理包括數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，數(shù)據(jù)的傳送方式與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，就發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)射請求命令，在接收到一個確認(rèn)幀后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)過程中，要判斷數(shù)據(jù)是否溢出。

3.2 ZigBee協(xié)議棧構(gòu)架

為了適應(yīng)ZigBee產(chǎn)品開發(fā)的需求，2007年德州儀器（TI）宣布推出業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）的免費下載版本[7-9]，用戶可進(jìn)入TI官方網(wǎng)站下載。Z-Stack達(dá)到ZigBee測試機(jī)構(gòu)德國萊茵集團(tuán)評定的ZigBee聯(lián)盟參考平臺（golden unit）水平，目前已為全球眾多ZigBee開發(fā)商所廣泛采用。Z-Stack符合ZigBee2006規(guī)范，支持多種平臺，其中包括面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案、基于CC2420收發(fā)器的新平臺以及TI MSP430超低功耗MCU。

除了全面符合ZigBee 2006規(guī)范以外，Z-Stack還支持豐富的新特性，如無線下載，可通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（mesh network）無線下載節(jié)點更新。Z-Stack還支持具備定位感知（location awareness）特性的CC2431。上述特性使用戶能夠設(shè)計出可根據(jù)節(jié)點當(dāng)前位置改變行為的新型ZigBee應(yīng)用。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信過程模擬

無線測試是點對點的無線通信，它提供發(fā)送模式、接收模式、設(shè)定頻道、設(shè)定本機(jī)地址和設(shè)定目的地址模式。通過實驗?zāi)M完成相應(yīng)模式通信。

4 總結(jié)

ZigBee技術(shù)的誕生為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和開拓起到了巨大的推動和促進(jìn)作用，本文對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計，本設(shè)計還存在許多不足和不理想之處，有待進(jìn)一步改善和完善。

[1] 王汝傳,孫力娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2011：1-33.

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圖4 房間選擇界面

在圖4中，當(dāng)要了解某個房間信息，只需在對應(yīng)圖標(biāo)上點擊鼠標(biāo)，便會彈出房間信息的對話框，確定要租住該房間，單擊后便可以點擊申請住房按鈕。

申請住房是公租房管理系統(tǒng)最重要的功能，在其中租住者要選擇自己需要的房間、申請租住的日期、租住的年限，租住的類型、租住者所在的部門、租住者的姓名、是否屬于雙職工、是否夫妻異地帶小孩等情況，房間樓號、房間編號以及房間面積已經(jīng)從房間信息表中讀取，此處不能做選擇和更改，信息選擇完成后，點擊申請租住，租住房屋便可成功，同時該功能會同時向房屋租住情況表和房屋租住歷史表中填充相關(guān)數(shù)據(jù)，供后續(xù)查詢和統(tǒng)計費用使用，操作界面如圖5所示：

圖5 申請租住房屋界面

6 總結(jié)

利用C#語言、.NET FrameWork框架，結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了C/S結(jié)構(gòu)的高校公租房管理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)、功能結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)訪問技術(shù)以及關(guān)鍵界面，系統(tǒng)充分考慮實際業(yè)務(wù)需要，簡化使用者的操作復(fù)雜度，提高了房產(chǎn)管理的效率，規(guī)范了房產(chǎn)管理的流程。系統(tǒng)實際部署使用后，強(qiáng)化了房產(chǎn)管理的科學(xué)化、信息化水平，促進(jìn)了房產(chǎn)資源的及時流通，減輕了房產(chǎn)管理部門工作人員的勞動強(qiáng)度，同時也方便了學(xué)校決策層對房產(chǎn)資源的使用情況、空余情況等進(jìn)行及時了解，從而做出科學(xué)合理的房產(chǎn)資源分配、管理策略。該系統(tǒng)也為類似信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了一個參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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（收稿日期：2016.03.12）

Construction of Wireless Sensor Network Communication Based on Zigbee

Tong Xiaorong
(School of Network Security and Informatization, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

This paper introduced ZigBee technology, and studied, researched and designed WSN. The paper carried on hardware and software design of WSN based on ZigBee, including the main chip of CC2430, peripheral equipment, RF module, power module, sensor module and interface circuit and so on. The paper demonstrated the feasibility and reliability of the system through experiments.

Wireless sensor network； ZigBee； Construction； CC2430

TP391

A

1007-757X(2016)11-0033-03

2016.01.05）

渭南市科研發(fā)展計劃項目（2015KYJ-2-6）；渭南師范學(xué)院理工類科研項目(16YKS010）；渭南師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目(JG201526）

同曉榮（1972-），男，陜西白水人，渭南師范學(xué)院，網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、信號處理和計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究，渭南 714099