基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與實現

另一方面，新興的ZigBee技術具有體積小、無需線纜、可容納節點數多、工作頻段免費、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自動動態組網、可互操作、多跳傳遞、拆裝方便等特性，因此十分適合于組建無線網絡，本文將討論一個基于ZigBee技術的無線應變節點網絡的設計。

基于ZigBee技術的無線傳感器節點的設計思路

2005年6月公布的ZigBee/IEEE802.15.4標準采用低數據速率(250kbps)來取代低功耗、低成本和小體積的特性，這使其在所有短程無線技術中具有極大的潛力。采用在大多數應用可接受的低速率，獨特的節能管理(信標喚醒/休眠)技術、減小占空比(2%)以及數據優化融合模式，可以實現無需電源連線的小型電池供電。通過采用DSSS編碼、半正弦脈沖形狀的偏移正交相移鍵控調制、128位加密算法等先進技術，可以保障通信與數據的安全性。圖所示為嵌入式應變傳感器節點的內部結構框圖，其中內嵌了TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線程結構。

嵌入式應變傳感器節點的內部結構框圖(內嵌TI最新單芯片ZigBee SoC的雙核多線程結構)。

本設計為可外接應變片的開放式傳感器，應變測量傳感器采集應變片電橋失衡產生的微伏級電壓信號，比其它采集毫伏級信號的傳感器要復雜得多(如溫度、振動、煙塵傳感器)，其主要原因是：

1. 橋路電流大于10mA時應變片會發熱不穩定，因此要求供橋電壓低且高度穩定。從而導致產生信號很小，一般為1με/1μV。

2. 要求可編程信號調節器的放大倍數達到千倍左右，并且具有高穩定性和超低噪聲特性。本設計中采用的是24位A/D及可編程抗混濾波器。

3. 由于應變測量必須根據需要來現場靈活設置測點數量、半橋/全橋、靈數系數、初始值、加載值、多種應變花計算等，大量復雜的分析處理都采用(資源有限的嵌入式節點惹)專用MCU來完成。

4. 射頻通信必須采用節能的ZigBee芯片，以實現安全可靠的數據傳輸，其內嵌的MCU將完成復雜的通信及網絡管理任務。為此，設計了4個定時器、4組程序/數據存儲器(分別提供8、32、64、128kB的閃存空間)、4個振蕩器(分別為32MHz、32.768kHz晶振，16MHz、32.768Hz RC振蕩器)用于系統時鐘和定時操作。用一個4種功耗狀態節能管理器，一個AES協調處理器CSMA/CA、128-AES加密技術來提供認證和加密，以盡可能少地占用微控制器。中斷控制器有18個中斷源提供服務，每個中斷都被賦予4個中斷優先級中的某一個。設計了一個可編程看門狗、兩個可編程USAT，用于主/從SPI或UART操作。此外，還設有CRC-16校驗，一個信號強度/數據質量檢測/數字RSSI及品質指示LQI。

5.無線個人局域網的生命周期依賴于電池壽命，節能技術也是WPAN技術中的難點之一。本設計中的節點必須具有射頻通信、信號調理器和供橋等三種不同要求的電源，對低功耗的要求比其它信號傳感器要高得多。節點電池靜態電流為：休眠狀態30μA，喚醒工作狀態27~40mA；耗電管理狀態：100%、66%、33%、更換電池預警四級管理。

在硬件設計中，考慮到要求1微伏信號的穩定、超低噪聲和抗干擾等綜合因素，需要精心處理射頻與低頻、數字與模擬、三種電源間分別接地的安排，任何微安級的地電流干擾都會使得前功盡棄。

無線傳感器網絡的軟件設計

由于數據采集與信號調理、射頻通信、節能、數據優化處理(使傳輸的數據包最小化)等大量復雜的分析處理都在資源有限的嵌入式節點韌瓿桑因此必須精心設計面向特定應用的操作系統Tinyos。Tinyos采用基于雙核4線程架構的組件，包括主組件、應用組件、執行組件、傳感與程控放大組件、通信組件、硬件抽象組件和電源節能管理組件。每個組件內封裝了命令處理程序和事件處理程序，它們通過接口聲明所調用的命令或外部觸發的事件兩種方式來工作。調度器則負責根據任務的輕重緩急來安排系統的工作。本設計采用了基于優先級，兼顧時限和任務的調度方式的嵌入式軟件技術。

此外，鑒于本網絡系統具有以下特點：節點程序/數據存儲量小、傳輸速度250kbps、節點密度大、突發性/間歇性信息、低功耗、安全性、并發性、移動性、健壯性、節能的協議堆棧，常規的編程技術無法滿足本系統的特殊環境和要求，必須采用雙核多線程架構，并有針對性地創建新技術來設計系統軟件。本文中采用了基于優先級的可搶占/不搶占調度、兼顧時限/任務調度、動態/靜態時間片輪詢調度的創新技術來設計嵌入式軟件。

中央控制中心PC機系統軟件初步設計的功能包括以下方面。1. 模塊選擇：應變模塊、溫度模塊、濕度模塊、荷重計量模塊、環保模塊、資產跟蹤模塊、身份識別模塊、軍事模塊、智能大廈模塊、小區抄表模塊等；2. 狀態監控設置：數據采集次數、時間間隔、事件觸發采集等；3. 數據采集、數據處理、查看數據等；4. 其它參數設置：各種文件名稱、時間、單位名稱、本次監測實驗名稱等。

基于ZigBee技術的無線網絡的工作原理

首先，各節點加電，完成自檢功能后，由中央控制中心自動找到工作頻率范圍內干擾最小的信道，并建立網絡。其余節點自動找到中心并申請入網。中央控制中心向節點發送網絡參數，收到參數的節點保存參數并加入網絡。當某節點由于距離/干擾不能直接與中心通信時，則自動向周圍節點廣播自身信息，通過評價周圍節點到中心的路由信息來決定使用哪個節點作為其父節點，從而完成入網過程。

上述過程在非人工干預下自動完成(甚至在節點移動中)組網，然后開始數據采集與傳輸：指令/事件觸發某節點→采集環境參數→放大、濾波、A/D、加密數據暫存→綁定(確定發、收信息目標地址)→入網通信受阻→改變路徑/擴、變射頻→再次申請入網→應答許可→傳遞數據→檢查通信/數據接收質量(可能跳傳千百次)→首匯集(路由)父節點(接力式)功放轉發→再次路由/檢查鏈路質量(或由GSM/網關上傳至有線網)→中央控制中心收集各節點數據/分析處理→通知某節點執行控制→采集節點休眠/冬眠/離開網絡(以上工作在20ms內完成)→當一個節點或部分節點失效時，剩余節點自動組成新的網絡，靜候指令/觸發工作→“虛擬網絡管理員”全網巡察……與數字電臺無線遙控遙測SCADA系統相配合，可構成具有50公里覆蓋范圍的控制系統。