ZigBee无线传感器网络平台设计与实现
2018-04-16宋连庆韩兴会袁世博
宋连庆 韩兴会 袁世博 权 策
（1.西安工程大学电子信息学院 西安 710048）（2.西安曼海特工业技术有限公司 西安 710018）
1 引言
无线传感器网络是能够在指定区域内获取无线传感器节点数据信息的一种新型信息获取系统［1～3］，是由安装在监测范围内的多个传感器节点通过无线通信的方法构建成的一个多跳自组织的监测系统。ZigBee技术相对简单、设备功耗较低使得它成为目前搭建无线传感器网络的第一选择。ZigBee无线传感器网络技术，广泛应用于物联网、物流管理和环境监测等诸多方面［4～5］。
本文设计了一种ZigBee无线传感器网络平台，介绍了软硬件设计，实现了无线网络的组建和数据的路由，为企业生产和生活中需要多点监测和布线困难的场所提供一种可行的解决方案。
2 ZigBee平台总体结构
平台主要由终端采集模块、无线通信模块和上位机组成。如图1所示，整个系统可以实现监测区域数据的采集、处理和显示功能。终端设备搭载传感器完成监测数据的采集，简单处理后将数据上传至绑定的父节点路由器，通过路由器的多跳，将数据传递给协调器。协调器负责网络的发起与维护并与上位机通信，上位机实现信息的直观显示。
图1 平台总体结构
3 系统硬件设计
系统的硬件组成包含协调器、路由器和终端设备3部分。终端设备是网络的基本单元，本文将路由器设置为兼具采集和路由功能，其硬件设计与终端设备一样，在软件配置时有所不同。终端设备组成框图如图2所示。包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块。
图2 终端设备结构
3.1 数据处理模块
本系统采用TI公司的CC2530芯片作为核心处理器，它集成了一个高性能射频收发器、一个增强型8051微处理器、8kB的RAM，拥有可选择的32/64/128/256 KB 闪存［6～8］。因考虑到 ZigBee协议栈的运行，选择了256KB的闪存。在接收和发送模式时，电流损耗分别为24mA和29mA［9］，能较好地满足低功耗的要求。CC2530提供了一套广泛的外设集，只需很少的外围电路就可以搭建一个简单的ZigBee节点。
3.2 ZigBee射频模块
射频模块的设计主要考虑晶振电路和天线与巴伦电路的设计。CC2530需要2个晶振，32MHz晶振提供高频时钟，32.768MHz晶振提供低频时钟。本文采用单端天线，为达到较好的收发效果设计了巴伦电路。射频信号的收发采用差分方式，其最佳差分负载是 115+j180（Ω）［10］，如图 3 所示。CC2530的射频输出引脚通过L1、L2、C8、C9、C11和C17组成的网络与外接天线进行阻抗匹配，其中L1和C9进行滤波，C11起隔直作用，C10进行高频滤波，L2进行低频滤波。
图3 天线及巴伦电路
3.3 电源模块
所选用的CC2530芯片具有宽电源电压范围，在2V～3.6V电压范围内都能正常工作［11］，所设计终端使用高容量锂电池进行直接供电。
3.4 数据采集模块
采集模块主要包括传感器和A/D转换器，传感器负责对监控区域的信息进行采集，如温度、湿度、光照等，A/D转换器将模拟量信息转换为数字信号，方便进一步处理。
4 系统软件设计
系统软件设计基于TI公司的Z-Stack协议栈。同时考虑到功耗和时延问题，采用最小跳数的自组网方法，提高传输的效率。Z-Stack协议栈使用了 OSAL（操作系统抽象层）［12～13］，采用轮询的方式进行任务调度管理。ZigBee协议栈由ZigBee联盟在IEEE802.15.4定义的物理层和介质访问控制层之上，将网络层和应用层进行规范化而形成的［14］。为了使得协议栈各层能够独立工作，采用了分层结构，对协议栈进行了适当的修改，在应用层进行编程设计，以满足系统需要。
4.1 协调器节点
协调器软件流程如图4所示。上电后进行能量扫描，如果发现存在网络，则作为路由加入网络，如果没有网络，则选择一个没使用过的PAN ID来组网，并允许节点绑定，等待设备入网，设备成功入网后，获得短地址，并通过此地址进行数据的收发。
4.2 终端设备
终端设备软件流程如图5所示。终端上电后进行主动扫描，发现网络后申请加入，成功入网后将被分配短地址，然后向父节点发起绑定请求，成功后定时采集数据并发送，发送完毕进入睡眠状态，定时时间到再进行数据采集并发送。
图4 协调器软件流程
图5 终端设备软件流程
4.3 低功耗策略
在终端设备数据传输到协调器的过程中，如果距离太远就需要路由器进行中转，理论上可以采用多个路由器中转的方法，本文考虑到路由器层数过多会造成硬件资源浪费并且多次路由产生的延时也不能轻视，故采用了一层路由。
本系统中终端设备采用轻度睡眠模式［15］，在一次采集数据结束之后，终端设备进入睡眠状态，在一个预定延时后通过32.768kHz晶振时钟源驱动24位硬件休眠定时器唤醒设备，并进行数据采集。休眠定时器有一个24位计数器和一个24位比较器，当SLEEP_TIMER定时器计数到比较器的设定值时，产生中断唤醒MCU。使终端节点能够周期性地进入睡眠状态，需要在程序中定义睡眠触发事件：
#defineMY_CHANGE_SLEEP_EVT 0x0008
当睡眠定时器溢出时，会触发睡眠改变任务事件。操作系统接收到睡眠改变事件后，会对该事件进行处理。在该事件处理函数中，程序继续进入睡眠模式，这样下来，终端设备会在睡眠SleepTimer时间后醒来，发送采集的数据包，并在myReportPeriod时间后再次进入睡眠，如此重复便可实现周期性睡眠与唤醒这一功能。
5 组网实验与结果分析
5.1 组网实验
图6 组网实验结果图
由一个协调器、两个路由器、四个终端设备和一台PC机组成树型网络进行温度监测组网实验。协调器采用电源供电，设计的路由器和终端设备可以休眠，使用锂电池供电。终端设备分布于需要监测的场所，负责对数据的采集并通过无线射频信号发射；路由器检测到终端节点发送的数据信息后进行路径判断，将数据发送至下一节点。协调器接收各个路由器节点的数据，通过串口将数据传入PC机，进而在PC机上显示。每隔50s，终端唤醒采集温度，两次采集之间，终端睡眠以减少功耗。实验效果如图6所示，温度值随环境的变化而变化。
5.2 系统性能测试
为了对系统性能进行有效测试，分别在室内和室外两种情况下测试了距离30m、50m、70m、90m、110m时平台的数据传输能力，如表1所示。
表1 系统通信性能测试
分析数据可知，在室外环境下，通信距离在90m内，数据传输能力较强且稳定可靠；在室内环境下，要保证数据的可靠性，通信距离需控制在50m内。
6 结语
本文介绍了基于TI公司CC2530芯片的ZigBee无线传感器网络平台的设计与实现。以低功耗、低成本为目标进行了软硬件设计，使得平台具有较好的通用性和易开发性，可大大减少产品设计的时间。最后进行了组网实验和通信性能测试实验，实验中该平台的软硬件稳定可靠，数据传输效率高。实验结果表明，该平台可在90m范围内对数据进行可靠的传输，解决了传统有线监测系统高成本、布线困难等问题，可满足一般的工业场所的应用。
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