基于ZigBee无线传感器网络节点的研究

2011-07-07杨福宝

制造业自动化 2011年19期

杨福宝

（武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070）

0 引言

随着无线传感器网络技术的快速发展，其支撑技术ZigBee通信协议也有了很大程度上的完善，相对的，基于ZigBee无线传感器网络的研究也成了一个热门领域。它的发展直接推动了无线个人局域网络LR-WPAN的前进，在根本上解决了工业控制、监控、医学、汽车等无线网络应用现状的不足。可以说，其应用价值是不可衡量的。本文针对于ZigBee无线传感器网络节点进行了系统的研究设计，为以后的进一步研究提供一个良好的基础。

1 ZigBee技术优势分析

目前，主要的短距离无线通信技术除了ZigBee技术外，还有蓝牙、红外、WiFi和超宽带通信UWB等。下面将这几种常见的通信技术做简单比较，具体参数如表1所示。通过对以上几种通信技术的比较，可以看出，ZigBee技术在低速率，短距离无线通信方面具有一定的优势，尤其在无线传感器网络方面有很大的发展前景。它的低功耗延长使用寿命，即使传输速率不高，但在感测与控制应用具有很大的发展潜力。

表1 几种无线技术的比较

ZigBee技术适合于承载数据流量较小，速率比较低的的传输系统。ZigBee技术的目标就是针对工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。

2 无线传感器网络体系概述

2.1 传感器网络结构

传感器网络结构如图1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点岁传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。

图1 传感器网络节构

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转化，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

2.2 传感器节点结构

传感器节点一般由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块位传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

本文无线传感器节点是基于ZigBee协议来进行设计，设计的思想是要实现低消耗、高灵活、高安全性通信，实现对8路模拟数据传感器信号和SPI、IIC、I-Wire等接口的数字信号采集与传输;实现对节点电源状态检测等。

2.3 ZigBee的协议栈概述

ZigBee协议栈结构由一些层构成，每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接，完成各自的功能。ZigBee协议的整体框架如表2所示。

I E E E 8 0 2.1 5.4标准指定了两个层：物理层(P H Y)和媒体接入控制层(M A C)作为Z i g B e e技术的物理层和M A C层。ZigBee联盟在开放系统互联（OSI）七层模型基础之上，建立它的网络层NWK和应用层的框架设计，这个应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象和制造商所定义的应用对象。

表2 协议栈的整体框架

3 系统整体设计

系统硬件主要由微处理器模块、无线通信模块、电源管理模块和系统内电池状态监测及充电模块等组成，系统还包括其他电路设计，其中有锂电池保护电路、RS232串行接口电路、DS18B20数字传感器电路、信号调理电路、LCD接口电路和其他外接口电路等组成。硬件系统如图2所示。

图2 硬件方案框图

系统的核心部分是微处理器模块，主要完成节点设备的控制与任务调度等任务；而无线通信模块的任务是要实现节点间的数据通信传输。电源管理模块主要进行电源上的管理；电池状态监测及充电模块则主要对电池电压、电流、剩余电流以及温度等各种状态的监测，并且在电量不足的情况下提供有效的电池充电功能；DS18B20的目的是对节点所处地域的环境温度进行检测；RS232串行接口电路其设计目的是完成节点与计算机间连接的电平转换；系统中对于传感器模拟信号进行放大、滤波、隔离、偏置等处理则是由信号调理电路来完成；锂电池保护电路是针对电池的安全运行的保护措施；系统中的电池数据显示我们使用LCD模块来实现。

3.1 微处理器的选型

微处理器是无线传感网路节点的核心，在选型时，必须满足体积小、功能强、外部接口丰富、集成度高、存储容量大、效率快、功耗小、支持睡眠模式且可以扩展等几个要求，常见的可作为ZigBee节点的微处理器有Ateml公司的ATmega128L、TI公司的MSP430等。针对其特点，本文选用ATmega128L。

3.2 电源电路设计

一般而言，无线传感器网络节点的供电设备是由电池来负责，但是其存在的能量限度问题，因此这就需要对供电线路有更深刻的要求。在保证系统硬件设备的低功耗前提下，工作电压采用3.3V，电源采用4.2V的可充电锂电池，并设计适合该电源的保护电路来完成正常供电。

3.2.1 电源管理模块

稳压电源有两种类型，即开关稳压电源和线性稳压电源。开关稳压电源主要是通过控制内部晶体管工作在饱和、截止状态中，从而达到对输出电压有效值的调节，虽然它的转换效率非常高，但是外围控制电路却很复杂，并且输出的电流会产生较大的叠加波纹，从而产生尖峰脉冲干扰，这将会影响模拟电路工作的稳定性。而线性稳压电源的不同则是通过不断调整串联在输入和输出电压之间的功率晶体管来控制输出电压，虽然转换效率比较低，具有一定的压差，但其线性调整率较好、外围电路简单、体积小、成本低。因此电源管理模块采用AD公司的低压差线性稳压电源芯片ADP3338-3.3。

3.2.2 DS2720锂电池保护电路

本设计采用锂电池节点供电，当它产生短路、充电过压、过温、过流、放电欠压时，系统会因电池的损坏不能正常工作，从而影响系统整体的生命周期。就此问题我们选用DS2720设计了相应的锂电池保护电路，以保证节点运行期间的电池安全运行。DS2720为DALLAS公司设计，它在具有传统意义上的锂电池保护功能的同时，还拥有独特的I-Wire接口，其作用是监测电池正常运行中所能发生的故障。

当电池发生短路、过温、充电过压、放电欠压、过流等现象时，DS2720能及时通过I-Wire接口把故障信息上传到ATmega128L，并对电池进行保护。在电池停止供电前，主机可以及时掌握电池故障信息并通过声、光报警及时反映出来，当有备用电池组时，主机可以通过备用电池组DS2720的64位ROM地址，启动备用电池组工作。为了提高系统运行效率，电路中，DS2720和DS2720的I-Wire接口分别通过PD5、PB7接至ATmega128L，并需接一个约4.7K的上拉电阻。

4 无线传感器网络节点功能软件设计

无线传感器节点在网络中要完成无线通信，传感信号采集等多种功能，这些功能的完成是由硬件电路及相应的功能软件实现的。节点功能软件包括传感器数据采集、监测电池状态信息等模块。节点软件采用WinAVR开发工具GCC编译器编写。

4.1 传感器ADC数据采集

ADC采集程序主要完成对节点压力、温度、湿度、振动、光强度等传感器模拟信号的采样。

ADC的电压源VREF我们可以参照AVCC、外接与AREF引脚的电压或内部2.56V基准。然后通过对寄存器ADMUX设置来进行参考电压源的选择。当参考电源发生改变时，第一次的ADC转换结果一定会出现误差，我们应将此次转换结果进行舍弃。节点则采用REF193芯片提供的外部参考电压，即3V。

4.2 寄存器的配置

A D C转换通过对A D C多工选择寄存器ADMUX、ADC控制和状态寄存器ADCSRA、ADC数据寄存器ADCL和ADCH的设置和访问来实现。ADMUX控制参考电压源选择、ADC转换结果对齐方式、模拟通道与增益选择控制。ADCSRA控制ADC转换启动、ADC中断、ADC预分频器等内容，ADCL 、ADCH为ADC数据寄存器，用于存储ADC转换的结果。