楊福寶

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，其支撐技術(shù)ZigBee通信協(xié)議也有了很大程度上的完善，相對(duì)的，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也成了一個(gè)熱門領(lǐng)域。它的發(fā)展直接推動(dòng)了無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN的前進(jìn)，在根本上解決了工業(yè)控制、監(jiān)控、醫(yī)學(xué)、汽車等無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀的不足。可以說，其應(yīng)用價(jià)值是不可衡量的。本文針對(duì)于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，為以后的進(jìn)一步研究提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

1 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

目前，主要的短距離無線通信技術(shù)除了ZigBee技術(shù)外，還有藍(lán)牙、紅外、WiFi和超寬帶通信UWB等。下面將這幾種常見的通信技術(shù)做簡(jiǎn)單比較，具體參數(shù)如表1所示。通過對(duì)以上幾種通信技術(shù)的比較，可以看出，ZigBee技術(shù)在低速率，短距離無線通信方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，尤其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有很大的發(fā)展前景。它的低功耗延長(zhǎng)使用壽命，即使傳輸速率不高，但在感測(cè)與控制應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表1 幾種無線技術(shù)的比較

ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小，速率比較低的的傳輸系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對(duì)工業(yè)、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等，例如燈光自動(dòng)化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系概述

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其它傳感節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)歲傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)化，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(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)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊位傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

本文無線傳感器節(jié)點(diǎn)是基于ZigBee協(xié)議來進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的思想是要實(shí)現(xiàn)低消耗、高靈活、高安全性通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)8路模擬數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)和SPI、IIC、I-Wire等接口的數(shù)字信號(hào)采集與傳輸;實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電源狀態(tài)檢測(cè)等。

2.3 ZigBee的協(xié)議棧概述

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由一些層構(gòu)成，每個(gè)層都有一套特定的服務(wù)方法和上一層連接，完成各自的功能。ZigBee協(xié)議的整體框架如表2所示。

I E E E 8 0 2.1 5.4標(biāo)準(zhǔn)指定了兩個(gè)層：物理層(P H Y)和媒體接入控制層(M A C)作為Z i g B e e技術(shù)的物理層和M A C層。ZigBee聯(lián)盟在開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）七層模型基礎(chǔ)之上，建立它的網(wǎng)絡(luò)層NWK和應(yīng)用層的框架設(shè)計(jì)，這個(gè)應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。

表2 協(xié)議棧的整體框架

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由微處理器模塊、無線通信模塊、電源管理模塊和系統(tǒng)內(nèi)電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)及充電模塊等組成，系統(tǒng)還包括其他電路設(shè)計(jì)，其中有鋰電池保護(hù)電路、RS232串行接口電路、DS18B20數(shù)字傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、LCD接口電路和其他外接口電路等組成。硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件方案框圖

系統(tǒng)的核心部分是微處理器模塊，主要完成節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制與任務(wù)調(diào)度等任務(wù)；而無線通信模塊的任務(wù)是要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信傳輸。 電源管理模塊主要進(jìn)行電源上的管理；電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)及充電模塊則主要對(duì)電池電壓、電流、剩余電流以及溫度等各種狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并且在電量不足的情況下提供有效的電池充電功能；DS18B20的目的是對(duì)節(jié)點(diǎn)所處地域的環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)；RS232串行接口電路其設(shè)計(jì)目的是完成節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)間連接的電平轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)中對(duì)于傳感器模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離、偏置等處理則是由信號(hào)調(diào)理電路來完成；鋰電池保護(hù)電路是針對(duì)電池的安全運(yùn)行的保護(hù)措施；系統(tǒng)中的電池?cái)?shù)據(jù)顯示我們使用LCD模塊來實(shí)現(xiàn)。

3.1 微處理器的選型

微處理器是無線傳感網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的核心，在選型時(shí)，必須滿足體積小、功能強(qiáng)、外部接口豐富、集成度高、存儲(chǔ)容量大、效率快、功耗小、支持睡眠模式且可以擴(kuò)展等幾個(gè)要求，常見的可作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的微處理器有Ateml公司的ATmega128L、TI公司的MSP430等。針對(duì)其特點(diǎn)，本文選用ATmega128L。

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

一般而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電設(shè)備是由電池來負(fù)責(zé)，但是其存在的能量限度問題，因此這就需要對(duì)供電線路有更深刻的要求。在保證系統(tǒng)硬件設(shè)備的低功耗前提下，工作電壓采用3.3V，電源采用4.2V的可充電鋰電池，并設(shè)計(jì)適合該電源的保護(hù)電路來完成正常供電。

3.2.1 電源管理模塊

穩(wěn)壓電源有兩種類型，即開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源主要是通過控制內(nèi)部晶體管工作在飽和、截止?fàn)顟B(tài)中，從而達(dá)到對(duì)輸出電壓有效值的調(diào)節(jié)，雖然它的轉(zhuǎn)換效率非常高，但是外圍控制電路卻很復(fù)雜，并且輸出的電流會(huì)產(chǎn)生較大的疊加波紋，從而產(chǎn)生尖峰脈沖干擾，這將會(huì)影響模擬電路工作的穩(wěn)定性。而線性穩(wěn)壓電源的不同則是通過不斷調(diào)整串聯(lián)在輸入和輸出電壓之間的功率晶體管來控制輸出電壓，雖然轉(zhuǎn)換效率比較低，具有一定的壓差，但其線性調(diào)整率較好、外圍電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低。因此電源管理模塊采用AD公司的低壓差線性穩(wěn)壓電源芯片ADP3338-3.3。

3.2.2 DS2720鋰電池保護(hù)電路

本設(shè)計(jì)采用鋰電池節(jié)點(diǎn)供電，當(dāng)它產(chǎn)生短路、充電過壓、過溫、過流、放電欠壓時(shí)，系統(tǒng)會(huì)因電池的損壞不能正常工作，從而影響系統(tǒng)整體的生命周期。就此問題我們選用DS2720設(shè)計(jì)了相應(yīng)的鋰電池保護(hù)電路，以保證節(jié)點(diǎn)運(yùn)行期間的電池安全運(yùn)行。DS2720為DALLAS公司設(shè)計(jì)，它在具有傳統(tǒng)意義上的鋰電池保護(hù)功能的同時(shí)，還擁有獨(dú)特的I-Wire接口，其作用是監(jiān)測(cè)電池正常運(yùn)行中所能發(fā)生的故障。

當(dāng)電池發(fā)生短路、過溫、充電過壓、放電欠壓、過流等現(xiàn)象時(shí)，DS2720能及時(shí)通過I-Wire接口把故障信息上傳到ATmega128L，并對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。在電池停止供電前，主機(jī)可以及時(shí)掌握電池故障信息并通過聲、光報(bào)警及時(shí)反映出來，當(dāng)有備用電池組時(shí)，主機(jī)可以通過備用電池組DS2720的64位ROM地址，啟動(dòng)備用電池組工作。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，電路中，DS2720和DS2720的I-Wire接口分別通過PD5、PB7接至ATmega128L，并需接一個(gè)約4.7K的上拉電阻。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中要完成無線通信，傳感信號(hào)采集等多種功能，這些功能的完成是由硬件電路及相應(yīng)的功能軟件實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)功能軟件包括傳感器數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)信息等模塊。節(jié)點(diǎn)軟件采用WinAVR開發(fā)工具GCC編譯器編寫。

4.1 傳感器ADC數(shù)據(jù)采集

ADC采集程序主要完成對(duì)節(jié)點(diǎn)壓力、溫度、濕度、振動(dòng)、光強(qiáng)度等傳感器模擬信號(hào)的采樣。

ADC的電壓源VREF我們可以參照AVCC、外接與AREF引腳的電壓或內(nèi)部2.56V基準(zhǔn)。然后通過對(duì)寄存器ADMUX設(shè)置來進(jìn)行參考電壓源的選擇。當(dāng)參考電源發(fā)生改變時(shí)，第一次的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果一定會(huì)出現(xiàn)誤差，我們應(yīng)將此次轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行舍棄。節(jié)點(diǎn)則采用REF193芯片提供的外部參考電壓，即3V。

4.2 寄存器的配置

A D C轉(zhuǎn)換通過對(duì)A D C多工選擇寄存器ADMUX、ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA、ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCL和ADCH的設(shè)置和訪問來實(shí)現(xiàn)。ADMUX控制參考電壓源選擇、ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)齊方式、模擬通道與增益選擇控制。ADCSRA控制ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)、ADC中斷、ADC預(yù)分頻器等內(nèi)容，ADCL 、ADCH為ADC數(shù)據(jù)寄存器，用于存儲(chǔ)ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

4.3 電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)及充電模塊程序設(shè)計(jì)

DS2770是Dallas Semiconductor公司生產(chǎn)的電池電量計(jì)及鋰基和鎳基化學(xué)電池充電器控制集成芯片，它可以通過Dallasl-Wire接口與電源管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，以讀取電池電壓、溫度等檢測(cè)信息，同時(shí)讀寫E2PROM，因而可廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中。DS2770工作流程圖如圖3所示。

DS2770每隔一段時(shí)間將電池電壓、溫度、電流等參數(shù)分別存入電壓寄存器、溫度寄存器和電流寄存器中。通過記錄電池凈流入流出電流，電流累加器可以估計(jì)剩余電量。DS2770對(duì)電壓、溫度、電流、剩余電量的測(cè)量通過讀取相應(yīng)的寄存器獲取。DS2770監(jiān)控程序如下：

5 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù)，在特殊領(lǐng)域，它有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。 對(duì)其的進(jìn)一步研究，將滿足中國未來高技術(shù)民用和軍事發(fā)展的需要，不僅具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義，也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

圖3 DS2770工作流程圖

[1] 魯照權(quán),黃梅初,杜征,劉芳.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的大棚種植溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,13.

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