Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-基礎(chǔ)電子無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)。而Zigbee技術(shù)是為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，是適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在許多行業(yè)有巨大的應(yīng)用潛力，如環(huán)境監(jiān)控、物流管理、醫(yī)療監(jiān)控、交通管理和軍事偵察等方面的應(yīng)用。

目前普遍使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺主要有Crossbow公司的Mica2/MicaZ和Microchip公司的PICDEMZ等。MicaZ雖然具有Tinyos操作系統(tǒng)，但是沒有結(jié)合Zigbee技術(shù)；PICDEMZ的Zigbee協(xié)議棧不完全符合Zigbee的定義，而且功能簡單。因此，設(shè)計(jì)一種Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，可以更好地開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和Zigbee技術(shù)。

本文在分析Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，采用模塊化的方法實(shí)現(xiàn)了Zigbee協(xié)議棧，并且使用該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行了溫度監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該平臺實(shí)現(xiàn)了Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能，可以更好地開發(fā)Zigbee技術(shù)。

1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)至少要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和中央控制點(diǎn)組成。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，到達(dá)中央控制點(diǎn)。在這個(gè)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)，又充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器，用戶通過中央控制點(diǎn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖1給出了一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

1.2Zigbee技術(shù)

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)。完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層組成。其物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4]，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)根據(jù)用戶自己的需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用。

在無線通信技術(shù)上，采用免沖突多載波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。

Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出功率為0～3.6dBm，通信距離為30～70m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)備可以自動調(diào)整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，限度地消耗設(shè)備能量。

在組網(wǎng)性能上，Zigbee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò)。在每一個(gè)Zigbee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16bit短地址碼或者64bit長地址碼，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。

2Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的硬件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺在各種應(yīng)用系統(tǒng)中存在一些現(xiàn)實(shí)的約束[3,6]：

(1)外形盡量小。芯片的尺寸決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸。

(2)集成度盡量高。各種傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要程序存儲器、靜態(tài)存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等多種硬件資源。特別是要有足夠大的ROM空間存儲Zigbee協(xié)議棧。

(3)功耗低而且支持休眠模式。是否具有休眠機(jī)制直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)生命周期的長短，所以芯片必須支持低功耗的休眠狀態(tài)。

(4)運(yùn)行速度盡量快。系統(tǒng)應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成工作，從而快速進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省系統(tǒng)能源。

(5)工作在的ISM（IndustialScientificMedical）頻段，2.4GHz它是免付費(fèi)、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s。

(6)成本要盡量低。芯片在傳感器節(jié)點(diǎn)成本中占很大的比例。

2.2基于CC2430的硬件設(shè)計(jì)

目前，常見的Zigbee無線傳感器平臺都是由一個(gè)8位或16位的單片機(jī)和Zigbee射頻芯片組成。隨著芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了無線單片機(jī)，即將處理器模塊和射頻模塊集成在同一個(gè)芯片中。Ti-Chipcon公司的CC2430就是其中的代表，其典型應(yīng)用如圖2所示。

CC2430集成了Zigbee射頻前端、ROM和8051微控制器在一個(gè)芯片內(nèi)，而且大小僅為7mm×7mm，這樣就使得設(shè)備集成度高、外圍器件很少、外形很小;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA，并且支持四種休眠機(jī)制，可以大大地降低功耗；CC2430工作在2.4GHz的頻段，而且芯片價(jià)格僅為5美元左右，使用成本很低。所以CC2430很符合Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計(jì)要求[2]。

3Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件結(jié)構(gòu)

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的軟件主要由嵌入式操作系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧和應(yīng)用程序組成，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡單高效的任務(wù)調(diào)動、中斷處理和時(shí)間隊(duì)列管理等，還包括所有硬件的底層驅(qū)動。應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號強(qiáng)度檢測等。采用模塊化的設(shè)計(jì)協(xié)議棧，使得整個(gè)系統(tǒng)層次清楚、擴(kuò)展性好、有利于Zigbee技術(shù)的二次開發(fā)。

3.2協(xié)議棧設(shè)計(jì)

Zigbee協(xié)議棧能夠確保無線設(shè)備在低成本、低功耗和低速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。Zigbee協(xié)議棧的不同層通過服務(wù)接入點(diǎn)進(jìn)行通信，大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制[1]。其基本結(jié)構(gòu)如表1所示。

PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊組成，定義了物理無線信道和MAC層之間的接口。主要功能是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量監(jiān)測、鏈路質(zhì)量監(jiān)測、信道選擇、清除信道*估以及通過物理介質(zhì)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。

MAC層為高層訪問物理信道提供了點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口，具體功能是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請求。此外，MAC層還為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供了一些方法。

網(wǎng)絡(luò)層主要用于建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)的請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。

應(yīng)用層主要為Zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對Zigbee技術(shù)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。

由于Zigbee技術(shù)已經(jīng)定義了物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此這三層的實(shí)現(xiàn)通常是類似的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用都是由基本應(yīng)用組成，如加入網(wǎng)絡(luò)、脫離網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。本文使用IAREmbeddedWorkbenchfor8051軟件編寫了本網(wǎng)絡(luò)平臺的物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層程序代碼，其中每層的頭文件定義了該層所支持的服務(wù)與應(yīng)用程序接口。同時(shí)該平臺還提供了一些應(yīng)用接口，如aplFormNetwork（）、aplJoinNetwork（）、aplSendMSG（）等，用戶可以通過調(diào)用這些函數(shù)來實(shí)現(xiàn)自己的開發(fā)與應(yīng)用。

3.3代碼示例

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一些初始化之后，調(diào)用aplFormNetwork（）來建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過掃描一個(gè)空信道來建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個(gè)隨機(jī)的PANID并開始*此信道。同時(shí)協(xié)調(diào)器還有一個(gè)目前連接設(shè)備的列表，以支持其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。

main(){

halInit();//硬件初始化

aplInit();//初始化協(xié)議棧模塊

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//打開全局中斷

aplFormNetwork();//建立網(wǎng)絡(luò)

while(apsBusy()){apsFSM();}//等待網(wǎng)絡(luò)建立成功

while(1){apsFSM();}//運(yùn)行協(xié)議棧

}

同樣，Zigbee路由器和終端設(shè)備通過aplJoinNetwork（）加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。終端設(shè)備掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，同時(shí)將本設(shè)備的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)加入成功后，終端設(shè)備則進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才被喚醒。

main(){

halInit();//硬件初始化

aplInit();//初始化協(xié)議棧模塊

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//打開全局中斷

do{

aplJoinNetwork();//加入網(wǎng)絡(luò)

while(apsBusy)()){apsFSM();}//等待加入網(wǎng)絡(luò)成功

}while(aplGetStatus()!=LRWPAN_SUCCESS);

while(1){apsFSM();}//運(yùn)行協(xié)議棧

}

4應(yīng)用

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是具有低成本、低功耗、低速率的短距離的無線通信網(wǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中，通常應(yīng)滿足以下條件：設(shè)備成本低、體積小；使用性電池；通信覆蓋范圍大、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小。使用該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺方便地利用Zigbee技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。下面重點(diǎn)介紹基于該平臺的溫度監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)。

無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和一臺PC機(jī)組成星形網(wǎng)絡(luò)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要檢測的區(qū)域，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理，并通過無線射頻信號發(fā)射出去；協(xié)調(diào)器接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無線射頻信號，通過RS-232的串口線送入PC主機(jī)；PC主機(jī)負(fù)責(zé)存儲及對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。

只要在該平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)用層的程序就能實(shí)現(xiàn)無線溫度監(jiān)測，無需設(shè)計(jì)物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的代碼。每隔10秒進(jìn)行溫度采集，兩次溫度采集期間節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減少功耗。某一時(shí)刻對節(jié)點(diǎn)1加熱，從圖3可以看出，在60秒左右時(shí)，采集的數(shù)據(jù)明顯地增大。而