基于ZigBee协议的无线全网休眠低功耗传感器网络

2013-04-10张弛

河南科技 2013年11期

张弛

(郑州枫华实业有限公司，河南郑州 450000)

1 ZigBee技术

典型的短距离无线传输技术有：蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi等。工作的频段都是 2.4GHZ，其中 ZIGBEE能够带65536个子节点。在功耗控制上，ZIGBEE可以做得到微安级能耗休眠，可靠的稳定性和低功耗比蓝牙和WIFI突出的多。ZigBee网络非常适合于传感器这种信息发送速率要求不高，信息发送量不大，功耗要求高，节点密集分布的场所。尤其适合库房，展厅，运输等领域。

ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联模型(OSI)，但仅对 ZigBee涉及的层面进行定义。其中IEEE802.15.4定义了最下面的两个层面 PHY和 MAC层。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。

2 MESH网络拓扑

无线mesh网络即“无线网状网”，它是基于IP协议的无线宽带接入技术，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势。Mesh网络更主要的是一种网络架构，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。

3 全网休眠同步唤醒低功耗模式

本网络设计的目的是网络在无数据需求时处于休眠状态，在网络数据需求产生市能快速形成一个临时响应的网络，处理完数据需求后再次迅速转入全网休眠的模式，这从理论上是非常理想的全网低功耗的模式。全网络的功耗决定于：(1)网络即时生成的速度。全部网络的生成速度越快，越能减小工作时间长度，从而提供休眠时间比例，延长整网络的工作时间。(2)网络各个节点的转发能力。各个节点都具有转发能力，可以优化路由，方便快速形成的网络有最快的路径找到数据要求的节点。(3)网络各个节点的唤醒频率。节点能够快速唤醒，快速休眠，并能在较高频率的唤醒下维持低功耗。

采用了ZigBee协议的网络架构，主要优点是：(1)低延时，唤醒唤时间小于15ms，节点连接进入网络只需30ms。(2)时延短，一般的通信延迟在ms级

(3)功耗低，休眠电流达到微安级别，工作电流不超过300ma。(4)AT86RF233+ATXMEGA256A3芯片方案

本设计采用了MCU和RF收发器分离的双芯片方案。

ATXMEGA256A3芯片简介。(1)大容量。ATxmega256A3是一个FLASH容量为256KB+8KB，EEPROM为4KB，SRAM为16KB，时钟为32MHZ的芯片。(2)工作电压低，电流低。它的工作电压在1.6-3.6V。休眠模式下，最低功耗可以达到0.1ua，串口接收发送电流5.4ua。(3)资源丰富。拥有7个16位计数器，7个USART口，AES和DES加密数据引擎，3个SPI数据总线，5种电源管理模式。(4)支持zigbee协议栈的APL层面的应用。

AT86RF230芯片简介。AT86RF230是ATMEL公司的一款专门用于2.4GHZ频段的低功耗无线射频通信芯片。工作环境是-40度～85度。(1)它在深度休眠模式下的电流可达至0.02ua，监听模式下的功耗为11.8ma，发射时的电流最大也就是13.8ma，低功耗的性能非常明显。(2)工作电压在1.8V-3.6v，方便电池电路的供电设计。(3)扩展性能强。通过它的SPI数据通信接口，可以使用AES128位的加密，随机数的产生，低功耗模式等特性，其自身含有128字节的SRAM，支持电池电量检测，支持500KHZ频道宽度。休眠唤醒延时＜0.4msec。

5 网络整体设计

整个无线网络由两部分组成，一个是含有GPRS功能的网关，它起到全部局域网的总数据出入接口的作用;另一个是各个带有各种传感器探头的无线路由节点，它们形成具体的无线传感器网络分布。由于MESH网络是无中心的，对通信网络而言，各个节点实际上是功能相同，地位平等的。但是考虑到具体的应用还是得统一设计一个节点，绑定路由使其成为数据发送接收的中心。所有的数据最后都要汇总到这里，通过GPRS或者3G网络转入INTERNET网，与服务器的数据接口进行数据交互。