基于CC2430的無線傳感器網絡的實現

　　無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一種多跳自組織網絡系統，他是當前在國際上備受關注、涉及多學科、高度交叉、知識高度集成的前沿研究領域，綜合傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息(如光強、溫度、濕度、噪音、震動和有害氣體濃度等物理現象)，并以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的3個要素。如果說Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網絡就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變人類與自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，從而極大地擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力。無線傳感器網絡作為一項新興的技術，越來越受到國內外學術界和工程界的關注，其在軍事偵察、環境監測、醫療護理、空間探索、智能家居、工業控制和其他商業應用領域展現出了廣闊的應用前景，被認為是將對21世紀產生巨大影響的技術之一。 

　　1 無線傳感器網絡的特點

　　無線自組網絡(mobile Ad-Hoc network)是一種由幾十到上百個節點組成的，采用無線通信方式、動態組網的多跳移動性對等網絡。其目的是通過動態路由和移動管理技術，傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流。通常節點具有持續的能量供給。

　　無線傳感器網絡雖然與無線自組網絡有著相似之處，但同時也存在很大的差別。傳感器網絡是集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統，節點數目更為龐大，一個網絡有上千甚至上萬個節點；節點分布更為密集；由于環境影響和能量耗盡，節點更容易出現故障；環境干擾和節點故障易造成網絡拓撲結構的變化；在通常情況下，大多數網絡節點是固定不動的。另外，網絡節點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統無線網絡的首要設計目標是提供高的服務質量和高效的帶寬利用，其次才考慮節約能源；而傳感器網絡的首要設計目標是節點能量的高效使用。這也是傳感器網絡和傳統無線網絡最重要的區別之一。

　　綜合而言，無線傳感器網絡具有如下特點：

　　(1)低速率，傳感器網絡通常只需定期傳輸諸如溫度、濕度之類的傳感器數據，數據量小，采集數據頻率低；

　　(2)近距離，兩個傳感器節點之間的距離通常在幾十米到幾百米之間；

　　(3)低功耗，傳感器網絡節點體積微小，通常攜帶能量有限的電池，而且分布區域廣，環境復雜，有些區域甚至人員無法到達，通過更換電池的方式來補充能量是不現實的，因此要求節點具有極低的功耗；

　　(4)網絡容量大，要求網絡能夠容納上千甚至上萬的節點；

　　(5)動態組網，傳感器網絡地處復雜的地理環境，環境干擾和能量的耗盡，容易造成節點故障，因此要求傳感器網絡具有自組織、自愈特性，即動態組網功能；

　　(6)低成本，傳感器網絡節點多，一旦布置到監測區域后，就不再回收，因此要求成本低廉。

　　2 無線傳感器網絡的實現

　　針對無線傳感器網絡的特點，世界各大芯片廠商提供了各種硬件及軟件解決方案。傳感器網絡節點是一個微型的嵌入式系統，構成了無線傳感器網絡的基礎平臺。目前，國內外出現了多種傳感器網絡節點的設計實現方法，他們在原理上是相似的，只是采用不同的微處理器或者不同的通信協議，比如采用自定義協議、802.11協議、ZigBee協議、藍牙技術以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新興的具有自組網功能的Ad-Hoc網絡，是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee的技術特性決定他是無線傳感器網絡的最好解決方案。

　　ZigBee聯盟成立于2001年8月，目前其成員已經超過200余家。2004年12月，ZigBee聯盟制定了ZigBeeSpecification V1.0，并于2006年11月推出ZigBee-ProSpecification增強版。ZigBee聯盟日前批準在最初的規范中增加功能更強和更具靈活性的ZigBee PRO框架堆棧，其增強功能特別體現在易用性和對大型網絡的支持方面。“ZigBee 2007"版本，將整合2006年發布的標準功能組和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO將最大程度地增強ZigBee的所有功能，并提高易用性和對大型網絡的支持。另外，目前ZigBee聯盟在最初規范的基礎上增加了網絡可伸縮性，分解片段功能，即分解較長消息以及實現與其他協議和系統交互的能力，頻率捷變功能和設備自動尋址管理能力等。ZigBee標準在ZigBee聯盟的推動下，正日趨增強和完善。世界各大知名芯片提供商紛紛推出ZigBee芯片和各自的ZigBee協議棧。如TI公司的針對ZigBee技術的CC2420，CC2430，CC2431芯片系列及Figure 8Wireless ZigBee Protocol Stack協議棧，FreeScale公司的MC13192，MC13213，MC1322X芯片系列及BeeStack協議棧。另外，Ember，Jennic和Microchip等公司也紛紛推出了各自的ZigBee解決方案。

　　ZigBee技術采用IEEE 802.15.4-2003標準制定的物理層和媒體接入控制層作為ZigBee的物理層和媒體接入控制層，ZigBee聯盟在此基礎上規定了網絡層和應用層框架；ZigBee技術具備強大的設備互聯功能，他支持星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Tree)三種主要的自組織無線網絡類型，特別是網狀結構，他具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。根據IEEE 802.15.4規范，ZigBee采用直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectr-um)技術，可以工作在3個頻段，分別是歐洲的868 MHz頻段、美國的915 MHz頻段和全球范圍的2.4 GHz頻段，媒體接入控制層采用載波檢測多址接入沖突避免機制作為信道訪問方式和完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。網絡層規定加入和離開網絡的機制，路徑發現及維護功能，實現對一跳鄰居設備的發現和相關節點信息的存儲功能，即ZigBee的自組網功能。在應用層中加入傳感器數據采集及管理功能，就可以搭建一個完整的無線傳感器網絡。本文搭建的無線傳感器網絡的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack協議棧來實現的。

　　CC2430是首款符合ZigBee標準的2.4 GHz系統單芯片(System On Chip，SOC)，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網絡節點，包括協調器、路由器和終端節點，芯片延用了以往CC2420的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)收發器、內存和微控制器，在休眠模式時，整個芯片的流耗小于0.9μA，集成了定時器等大量的片上資源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是業內最具盛名的協議棧之一。

　　雖然ZigBee技術是實現無線傳感器網絡的理想解決方案，但在實際的工程應用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范圍內使用的頻率是2.4 GHz，屬于微波范疇，特點是頻率高、波長短、直線傳播，在傳播方向上幾乎繞不開障礙物，再加上ZigBee節點的射頻發射功率非常低，這就導致，ZigBee無線信號的穿透障礙物能力非常有限。雖然可以通過增加布置ZigBee路由節點來繞開障礙物，但這將會增加網絡的容量以及網絡的成本，而且有的場合是不允許再布置一個網絡節點的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技術和433 MHz的射頻技術相結合的無線傳感器網絡實現方案。

　　文中的433 MHz射頻部分選用TI公司的CC1100射頻芯片。該芯片體積小，功耗低，數據速率支持1.2～500 kb／s的可編程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四個頻段，在所有頻段提供-30～10 dBm的輸出功率。文中CC1100工作在433 MHz的頻率上，采用2-FSK調制方式，數據速率為2.4 kb／s，信道間隔為200 kHz。CC1100與單片機CC2430之間采用SPI接口連接。

　　整個無線傳感器網絡的系統結構如圖1所示。橢圓部分內是基于TI公司的最新ZigBee解決方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack實現的ZigBee MESH網。ZigBee網絡中包含協調器、路由器和終端節點3種設備，協調器又通過433 MHz射頻技術組成一個星型網絡，ZigBee網絡中的節點可以將采集到的各種數據通過ZigBee網絡傳輸到各自的協調器，協調器將數據匯總后，再通過433 MHz射頻技術傳送到星型網匯集器，即整個系統的管理節點，然后通過GSM／GPRS技術，將采集數據最終傳送到后臺管理數據庫，后臺管理終端也可以下發系統的配置參數，如終端節點的睡眠時間以及數據采集周期等。

　　系統中各種節點的硬件結構如圖2所示。圖2(a)是433 MHz星型網匯集節點硬件框圖，該節點以嵌入式控制器AT91RM9200為主控制器，通過SPI接口，控制CC1100，同時提供GSM／GPRS以及以太網接口用來連接到后臺管理數據庫。圖2(b)是ZigBee網絡協調器節點的硬件框圖，該節點以CC2430為主控制器，既是ZigBee網絡的協調器，同時也是433 MHz射頻星型網的子節點。圖2(b)、圖2(c)分別是ZigBee網絡的路由器和終端節點的硬件框圖，其中終端節點采用電池供電。

　　在整個網絡系統的設計中，降低功耗是考慮的重中之重。特別是ZigBee網絡的終端節點，由于該節點往往分布在環境及其惡劣的區域內，有些區域甚至人員根本無法到達，或者不允許布置過多的電纜，如高壓大電流的現場環境，因此一般采用電池供電，而且由于更換電池的不便性，這就要求節點具備非常低的功耗。文中的終端節點設計出于降低功耗的考慮，硬件方面是選擇低功耗的芯片CC2430，印刷電路板布線也充分考慮了低功耗的要求；同時在軟件協議中加入了休眠機制。

　　3 實驗結果

　　系統各種節點的硬件采用模塊化設計，ZigBee模塊實物如圖3中左邊所示，CC1100模塊如圖3中右邊所示。總體結構緊湊合理、體積小。在晴朗天氣條件下的空曠地區，測得ZigBee節點之間的有效通信距離可達120 m，433 MHz射頻模塊的有效傳輸距離可達400 m；工作在室內條件下時，ZigBee無線信號可以穿透1堵混凝土墻，433 MHz射頻信號可以穿透4堵混凝土墻，有效地克服2.4 GHz射頻信號穿透性差的弱點。在ZigBee終端節點的電源電路中串聯接人1 Ω電阻，用示波器測得終端節點工作過程中，電阻兩端的電壓波形如圖4所示。

　　經換算，即得終端節點在整個工作過程中的功率消耗情況。當MCU處于工作狀態，射頻模塊處于空閑狀態時終端節點的工作電流為12～13 mA，在射頻模塊處于收發數據的瞬間，整體工作電流為38～40 mA，當MCU進入休眠模式后，整體工作電流在0.7～1.0μA之間，有效地保證了電池的使用壽命。用設計所得的各種節點組成如圖1所示的測試網絡。組網成功后，終端節點E1～E3讀取傳感器數據，發送給ZigBee網絡的協調器，然后進入休眠模式，睡眠1 min后，重復上述過程。

　　協調器再通過433 MHz射頻，把數據傳送到匯集器，并最終到達管理數據庫。把ZigBee終端節點移動到較遠的地方，使之超出ZigBee網絡覆蓋范圍，又重新回到網絡覆蓋范圍后，仍能繼續工作；關閉路由器R1，又重新開啟后，終端節點E2，E3仍能通過R1將數據發送給協調器；關閉路由器R1，只要E2，E3在協調器C的視距范圍內，E2，E3可以直接將數據發送給協調器。

　　以上試驗結果有效地驗證了ZigBee無線網絡良好的自組織和自愈特性。該網絡至2007年11月，在不更換終端節點電池的條件下，已連續穩定工作6個月。由于終端節點具有極低的功耗，預計可以連續工作更長的時間。

　　4 結 語

　　本文基于ZigBee無線網絡通信技術和433 MHz射頻通信技術實現了無線傳感器網絡。實驗結果表明，終端節點具有極低的功耗，整體網絡可以長時間連續穩定工作，并且具有良好的自組織、自愈功能，非常適合應用于工業控制、醫療、智能家居等領域。