基于 IEEE802.15.4的ZigBee无线传感器网络节点的设计与实现

吕俊霞，徐 珂

(河南工业职业技术学院软件学院，河南南阳 473009)

基于 IEEE802.15.4的ZigBee无线传感器网络节点的设计与实现

吕俊霞，徐 珂

(河南工业职业技术学院软件学院，河南南阳 473009)

在无线网络中引入Zigbee技术，利用Zigbee无线传感器并采用Chipcon公司的CC2430芯片和TI公司的CC2430芯片，实现了短距离范围内数据采集及处理。本设计具有低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等特点。

无线传感器网络;Zigbee;CC2430芯片

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量分布式智能传感器节点组成的面向任务的无线个人局域网(WPAN)，它融合了微电机技术、数据采集技术、嵌入式计算机(MCU)技术、现代网络与无线通信技术、分布式信息处理技术、节点节能技术等多个领域的技术［1］。通过多功能传感器点对目标信息进行实时监测，由MCU对信息进行处理，由WPAN进行数据通信，由主控PC系统软件将千万个节点采集的数据进行综合分析处理及控制。WSN技术具有广阔的市场前景，可以广泛应用于国防军事、工农业监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测及控制等诸多领域。目前，ZigBee技术具有体积小、无需线缆、可容纳节点数多、工作频段免费、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自动动态组网、可互操作、多跳传递、拆装方便等特性，因此十分适合于组建无线网络。

1 IEEE802.15.4 协议及 Zigbee技术简介

1.1 802.15.4 协议架构

IEEE802.15.4满足国际标准化组织(ISO)的开放式系统互连参考模型(OSI)，该规范是一种经济、高效、低数据速率(＜250 kbps)的无线技术，网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准，完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成［2］。协议栈结构如图1所示。

1)物理层。物理层采用直接序列扩频技术(DSSS)，可提供27个信道用于数据收发。IEEE802.15.4定义了2.4 GHz频段和868/928 MHz频段两种物理层标准。物理层的主要功能包括:激

活和休眠射频收发器、信道能量检测、信道接收数据包的链路质量指示、空闲信道评估和收发数据。

2)数据链路层。IEEE802系列标准将数据链路层分为介质访问层MAC和逻辑链路控制层LLC。IEEE802.15.4的MAC子层支持多种LLC标准。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输;而LLC子层在MAC子层的基础上，为设备提供面向连接和无连接的服务。MAC子层功能具体包括:协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步;支持PAN网络的关联和取消关联;支持无线信道的通信安全;使用CSMA/CA机制;支持保护时隙(GTS)机制;支持不同设备的MAC层之间的可靠传输。LLC子层功能包括:传输可靠性保障和控制、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。

1.2 Zigbee技术简介

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准［3］。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。它依据IEEE802.15.4标准能在上千个微小的传感器之间相互协调实现通信，可完成数据的采集、量化、处理、融合及传输。

Zigbee技术的主要优点:1)省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，Zigbee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的。2)可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。3)成本低。模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且Zigbee协议是免专利费的。4)时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。5)网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。6)安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。7)通用性强。IEEE802.15.4协议使Zigbee设备间的通信成为轻而易举的事情。

2 无线传感器网络的拓扑结构

无线传感器网络的拓扑结构见图2。

3 无线传感器网络的节点设计

3.1 节点的组成

如图3所示，基于Zigbee的无线传感器节点主要由四个模块组成:传感模块、通信模块、处理模块和能量模块［4］。

传感模块由模数转换器和传感器两部分组成，其中模数转换器是将传感器感应得到的模拟信号转化为数字信号提供给处理器进行处理;传感器是由大量各不相同的传感芯片构成，这些传感芯片可以感应很多物理现象，比如热能、声音、磁场等，通过将这些传感元件组合起来，可以广泛监测周围的环境参数。传感模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。

通信模块主要由无线信号的发射和接收装置构成，负责与其他传感器节点进行无线通信，实现节点之间数据的发送和接收。

处理模块主要由存储器和微处理器两部分组成，其中存储器主要用于存储待处理的数据和程序代码，微处理器用于控制程序代码的运行和数据的处理。对于传感节点而言，其存储空间和处理器的处理能力都比较有限。

能量模块为传感器节点提供运行所需的能量，目前主要采用电池进行供电。

3.2 节点的硬件设计

实现基于Zigbee的无线传感器网络节点设计，可以采用多种方案。本文搭建的无线传感器网络的微处理器采用低功耗的MSP430，无线芯片采用TI公司的CC2430芯片，这样大大简化了射频电路的设计。传感模块采用集成温湿度传感器SHT11。电源模块采用3 V纽扣电池。节点的硬件原理框图如图4所示。

CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4 GHz系统单芯片(System On Chip，SOC)，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9 μA，集成了定时器等大量的片上资源。

SHT11用于采集周围环境中的温度和湿度，其工作电压为0～5.5 V，测湿精度为±3.0%(RH)，25℃时测温精度为±0.4℃。采用SMD贴片封装，与处理器的通信电路如图5所示。SHT11采用两条串行线与处理器进行数据通信。SCK数据线负责处理器和SHT11的通讯同步;DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个10 kΩ的外部上拉电阻将信号提拉至高电平。本设计中CC2430的引脚P1.1用于DATA，P1.2用于SCK。

3.3 节点的软件设计

在无线传感器网络系统中，软件部分主要是在网关和传感器节点上。网关端的软件主要完成的功能是处理和管理传感器节点传输过来的数据，它主要由GPRS通信软件、RF通信软件、命令行软件以及任务管理软件组成。

考虑到各种需求，我们采用开源的操作系统-Linux。Linux是一个网络化的操作系统环境，特别适用于网络应用。Linux具有完整的TCP/IP协议栈，同时支持其它多种网络协议，如PPP协议栈，使其很容易实现 GPRS拨号的功能。由于Linux的开源特性，用户很容易在其基础上开发自己的应用程序。

传感器节点上的软件主要利用汇编和C语言开发，主要完成的功能是接受传感单元的数据，并将数据发送到传感器节点组的网关上。

4 结束语

重点讨论了基于IEEE802.15.4标准的Zigbee无线传感器网络的工作原理及其特点，阐述了基于CC2430的无线传感器网络节点的设计和实现。在实验中，节点能够采集环境的温度、湿度，并将采集的数据在节点中传播。

［1］ 孙利民，李建中.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］ 仇国庆，杨志龙.基于Zigbee协议的无线传感器网络节点设计［J］.自动化与仪器仪表，2008(3):7－8.

［3］ 于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统［M］.北京:科学出版社，2006.

［4］ 任丰原，黄海宁.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14(7):1283－1284.

IEEE802.15.4 of ZigBee-based Wireless Sensor Network Node Design and Its Implementation

LU Jun-xia，XU Ke
(Dept.of Computer Engineering，Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，Henan，China)

Wireless sensor networks is a hot research topic as a sensor technology both at home and abroad.This paper introduces the Zigbee technology and its characteristics，analyzes the IEEE802.15.4 wireless communication protocol.By using the Chipcon CC2430 chip and TI’s CC2430 chip，companies can achieve data acquisition and processing within a short distance.

wireless sensor network;Zigbee;CC2430 chip

TP212

B

1008-9446(2011)02-0057-04

2011-03-23

吕俊霞(1982－)，女，河南焦作人，河南工业职业技术学院软件学院讲师，研究方向为计算机网络技术。