基于ZigBee协议的无线传感器网络设计

摘 要 传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位.本文通过对传感器硬件节点的分析，以射频芯片CC2530为核心，设计了一种基于CC2530单片机的无线传感器网络的硬件节点设计方案。

关键词 无线传感器网络 硬件节点 CC2420 MSP430

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0 引言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网是所有物品通过射频识别等信息传感设备实现任何时间、任何地点及任何物体的连结，达到智能化识别和管理；物联网整合了传感器技术、通信技术和信息处理等技术，主要通过无线传感、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位、传感器等技术，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，从而给物体赋予智能，实现了物与物、人与物的互联，实现了物理世界与信息网络的无缝连接，物联网是传感网、通信网和应用系统的有机组合。无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）作为物联网的组成部分，综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。本文使用模块化设计思路，实现了一个无线传感器网络。

1 Zigbee无线网络协议

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

每个Zigbee 网络节点不仅本身可以对对象监控，例如连接传感器直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee协议在无线传感器网络应用中的具有以下特点和优势：

低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全性高：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。节点不仅完成采集信息、融合并传送数据的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。

2.1 网络结构

一般来说，一个无线传感器网络包括传感器节点以及传感器网络网关节点，如图1所示。其中，传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后台管理软件和传感器网络网关节点的控制下采集数据，并将数据经过多跳路由传输到传感器网络网关节点；传感器网络网关汇聚节点是网络的中心，具有协调器和网关的作用，负责网络的配置、管理和数据的汇集，并负责与用户PC机后台管理软件的通信。无线传感器网络通常具有两种应用模式：主动轮询模式、被动模式。主动模式要求网关节点对各个传感器节点进行主动的轮询以获得消息；而被动模式则要求在某个传感器节点事件发生时，网关节点能作出及时的响应。各个传感器节点得到的数据还能进行组合，这也很大地提高了传感器网络的效率。当然这也要求传感器节点要具有一定的计算能力。

2.2 系统硬件设计

在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且能量常常能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。

传感器网络节点的硬件一般包括处理单元、无线传输单元、传感采集单元、电源供应单元和其他扩展单元，如图2所示。其中，处理单元负责控制传感器节点的操作以及数据的存储和处理；传感采集单元负责监测区域内信息的采集；无线传输单元负责节点间的无线通信；电源供应单元负责为节点供电。传感器网络网关节点功能更多，除包含上述功能单元以外，还包含与后台监控通信的接口单元。

Zigbee网络节点设计要求如下：

（1）可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4GHZ频段是IEEE 502.15.4定义的工作在ISM频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。

（2）体积小，成本低，易于大规模布建。Zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的Zigbee网络节点有较高的性价比。

（3）可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，Zigbee网络是工作在2.4GHZ ISM频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。

（4）通用性。布建Zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是I/O操作和A/D操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。

（5）低功耗，支持电池供电。低功耗是Zigbee的重要特征，支持休眠—唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的Zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。

Zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。

2.2.1 芯片选型

Zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成Zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及Zigbee2007协议栈的正常运行。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。

设计选用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256，工作在2.4ghz频段，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC），它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

2.2.2 硬件整体设计

在网络节点硬件平台中，CC2530需要实现的功能以及模块主要有3个部分：通过A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线rf模块完成数据收发；通过I/O口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连，通过RS232接口可实现网络节点与PC机的通信。

由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线。

2.2.3 PCB设计

CC2530的Zigbee网络节点PCB设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观；在数字信号线走线上做到自然、平滑；高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；节点接口分布采用TI标准接口形式，结构稳固可靠。由于CC2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的辅助电路，因此PCB的设计要完全适合无线传感器网络应用。PCB板的尺寸为长宽高25mm？1mm？.6mm，接口为11？双排插针，间距2.54mm。接口管脚定义为TI的标准接口。

经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米；最大输出功率10dbm；接收灵敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个RS232接口。

3 结束语

本文介绍了一个无线传感器网络的设计，具有低功耗，软件易开发等优点。随着社会和科学技术的日益发展，无线传感器网络将得到日益广泛的应用。目前无线传感器网络在能耗、节点规模方面还有不足，随着这些问题的解决，无线传感器网络在环境监测、智能建筑以及军事等领域必然会得到越来与广泛的应用。

参考文献

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

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[3] 周挺挺，沙超，王汝传.基于CC2420的无线传感器网络节点的设计[J].电子工程师，2007，33（4）：67-70.

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