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1、基于ZigBee协议的无线传感器网络设计ronggang导语：本设计以超低功耗单片机MSP430F149为核心，结合外围传感器和无线收发模块设计了传感器网络节点摘要:本设计以超低功耗单片机MSP430F149为核心，结合外围传感器和无线收发模块设计了传感器网络节点。MSP430F149控制传感器收集环境中的温度、振动数据，并对原始数据进展初步处理，再由符合ZigBee协议的无线收发模块将数据发送给相邻节点。数据经传感器网络节点的逐级转发最终发送回会聚节点，再由它向监控计算机发送，实现对环境的监测。关键词:MSP430F149，IEEE802.15.4/ZigBee，无线传感器网络，节点，低功耗
2、Abstract:AdesignschemeofwirelesssensornetworknodebasedonlowpowerMCUMSP430F149isgiven.ThenodeiscomposedofMSP430F149,sensors,wirelesscommunicationmoduleandbatteries.MSP430F149makessensorstocollectthetemperatureandvibrationsignalsinenvironment,andprocessestheoriginaldata,afterthatsendsthedatatotheneigh
3、boringnodesbywirelesscommunicationmodulewhichiscompliedwiththeIEEE802.15.4/ZigBeeprotocol.Theprocesseddataaresenttothesinknodewhichisconnectedtothesupervisordevice.Finally,wecanmonitortheenvironmentbythesupervisorcomputer.KeyWords:MSP430F149,IEEE802.15.4/ZigBee,WirelessSensorNetworks,Node,Lowpowerco
4、st1引言传感器作为人们感官的延伸,在当代社会中得到了越来越广泛的应用。随着通讯技术、嵌入式技术、传感器技术的开展,传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化开展。本文以温度传感器为例,使用模块化设计思路,实现了一个无线传感器网络1。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通讯技术,在实际中有着广泛的应用。无线传感器网络可以应用于环境科学,为科学家获得野外的随机数据提供方便;可以应用于医疗安康,在病人身上安装一些特殊的传感器,医生可以随时监测病人的身体情况;在贸易上,无线传感器网络和中心主控计算机相结合,可以给人们提供更舒适、方便、人性化的家居环境。普通节点和会聚节点的CPU模块都采
5、用TI公司的MSP系列单片机，MSP430系列单片机具有超低功耗性能，对于无线传感器网络来讲，这一点是很重要的。另外它具有8通道12位高精度A/D采样，可以知足各种需要的数据收集与监控的应用，具有一定的通用性。此外射频局部采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee2协议的CC2420为核心组成射频模块，ZigBee对无线传感器网络来讲无疑是最适宜的无线局域网通讯协议。2无线传感器网络中普通节点和会聚节点的硬件设计2.1WSN普通节点的硬件体系构造无线传感器节点的普通节点负责将实时数据收集起来并将其发送到邻居节点，其硬件构造图如图1所示。align=center图1:WS
6、N中普通SensorNode构造/align2.2WSN会聚节点的硬件体系构造会聚节点的作用是将传感器节点发送的数据采集起来，并进展一定的数据优化处理将其需要的格式发送给最终监控计算机。align=center图2:WSN中会聚SinkNode构造/align各局部的详细组成中央处理器CPU局部：由于整个设计要以低功耗为原那么，一次选取了业界公认的超低功耗处理器MSP4306系列单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，可以在低电压下以超低功耗状态工作;其控制用具有强大的处理才能和丰富的片内外设;带60kFlashROM存储器的单片机可以存储大量的节点数据收集信息
7、还可以方便高效地进展在线仿真和编程。MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8V3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1mA400mA之间，RAM在节电形式耗电为0.1mA，等待形式下仅为0.7mA。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电。所以采用MSP430F149是最正确选择。无线通讯模块设计：采用挪威半导体公司Chipcon推出的CC2420是全球首颗符合802.15.4/ZigBee联盟标准的2.4GHz射频芯片。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技术,采用0118m工艺。为了保持和ZigBee4标准一致,CC2420支持
8、250kbps数据传输率。芯片具有50个存放器：33个控制、状态存放器;15个命令选通存放器;2个先入先出缓存控制存放器。本设计的一个主要创新之处在于选取了硬件上支持IEEE802.15.4/ZigBee协议的物理层和数据链路层中的LLC子层，因此这时我们只需在协议层上实现上层的平安层，MAC层和用户的应用层协议。下面介绍ZigBee协议在新一代无线通讯中的特点和对于无线传感器网络中应用的上风。低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠形式,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年度左右的使用时间,这是其它无
9、线设备望尘莫及的。本钱低:ZigBee模块的初始本钱在6美元左右,并且ZigBee协议是免专利费的。低本钱对于ZigBee也是一个关键的因素。时延短:通讯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:一个星型构造的ZigBee网络最多可以包容254个从设备和一个主设备,而且网络组成灵敏。可靠:采取了碰撞防止策略CSMA-CA,同时为需要固定带宽的通讯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形式
10、,每个发送的数据包都必须等待接收方确实认信息。假如传输经过中出现问题可以进展重发。平安:ZigBee提供了基于循环冗余校验CRC的数据包完好性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵敏确定其平安属性。CPU和RF接口设计如下图：align=center图3:MCU与RF之间的接口/align单片处理器通过4线制SPI总线接口和射频芯片CC2420通讯，单片微处理器可以通过编程使CC2420工作在不同的状态，读、写缓存数据，读CC2420回馈的信息。在与射频芯片的接收、发送FIFO接口时用FIFO和FIFIOP引脚进展状态的控制和读取信息;射频天线局部的原理图如图
11、5所示，在2.4GHZ的无线通讯系统中设计采用的对信号屏蔽和保护效果很好的环形天线设计，采用带屏蔽层的四层PCB设计，在实际中获得了很好的效果，天线局部的阻抗匹配电路原理图如下面所示。align=center图4：射频天线局部的信号保护原理图/alignUSB-UART5转换模块：USB2.0标准已经成为如今计算机和外围设备的标准通讯接口。这样用户可以很方便的携带挪动设备，设备之间可以到达很快的数据传输速度并到达很好的抗干扰性，一边是设备稳定可靠的工作。这个模块选用FTDI-232BM总线芯片实现标准的串行RS232转换USB的电路，下面简述此款总线芯片的接口：只有三个接口，一个标准USB口，
12、一个标准RS232串口，还有一个多功能口。如下图总线转接芯片四周电路原理图。align=center图5:USB转232总线芯片原理图/align数据收集电路4：节点的数据收集局部可根据实际需要选定适宜的传感器，如振动、声响、温度、光线等，由于整个模块由电池供电，这就要求传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。本设计采用AD公司的两维数字加速度计ADXL202和Maxim公司的一线式数字温度计DS18B20是很好的选择。3底层软件和协议栈层软件设计3.1底层软件设计底层软件6设计：数据收集局部程序：ADC12Init：初始化CPU的AD收集通道数，收集时间
13、，位数，等根本信息，并开定时器中断;ADC12_ISR：中断子程序，定时器中断到时后将AD缓存中的数字量存储到堆栈数组中去，等待发送。MCU操纵CC2420中的存放器的时序参见4。SPI操纵设置CC2420程序设计分为根本的异步串行口发送接收程序，设置控制状态存放器的函数;读取、更新射频芯片状态存放器。详细的API函数可以参考文中表一的设计。表一射频控制API函数3.2通讯协议程序设计IEEE802.15.4/ZigBee传输的帧格式及其作用:在IEEE802.15.4标准中,定义了一套新的平安协议和数据传输协议,本方案中,采用的无线模块根据IEEE802.15.4标准,定义了一套帧格式来传输
14、各种数据。如下图是本论文设计中的符合标准的在物理层和数据链路层中各种帧的一般格式。命令帧主要功能是在全功能设备和对精简功能设备在网络中的行为和状态进展控制和监视;数据型数据帧构造的作用是把指定的数据传送到网络中指定节点上的外部设备中,详细的接收目的也由这两种帧构造中的“目的地址给定。返回帧是返回型数据帧构造的作用是无线模块将发送数据接收情况反应给自身的帧。align=center图6：符合IEEE802.15.4/ZigBee通讯协议帧/align程序中定义发送数据构造体和接收数据构造体包括以下信息：发送帧序列号、发送设备源地址、PAN网络的地址、帧长度、接收数据指针等信息。本文的帧发送和接收
15、程序设计符合ZigBee协议的要求，对数据的发送接收在软件上实现了最可靠的形式。下列图所示为发送程序的流程图。接收程序流程图4结语考虑到WSN的应用低功耗性，本设计采用低功耗的MSP430系列单片机，完成了基于ZigBee的无线传感器网络硬件电路设计，其中包括基于超低功耗MCU最小系统的核心控制模块、无线射频收发模块、和一种可以通过USB-COM端口对传感器节点进展接口供电、编程和控制的功能模块，进一步简化了外部接口。针对传感器网络这个特殊的背景选取了具有多种上风的ZigBee通讯协议，并对ZigBee协议栈的技术细节进展研究。设计了ZigBee无线通讯协议栈的通讯程序，可以很好的符合无线传感
16、网络的各种需求。通过软件设计的无线通讯协议。1孙利民，李建中，无线传感器网络。清华大学出版社，2003.52IEEE802.15.42003:WirelessMediaAccessControlMACandPhysicalLayerPHYSpecificationsforLow-RateWirelessPersonalAreaNetworksLR-WPANs.3ZigBeeAlliance,ZigBeeSpecification.v1.0,Dec14,2004.4ChipconASSmartRFCC2420PreliminaryDatasheetrev1.2,2004-06-09.5张卓亮，王振清.基于USB总线的振动频率数据收集系统J.微计算机信息，2004，12-1：44-45.6MSP430seriesMCUDatasheet,TICorp.7吴明辉，嵌入式开发与应用。人民邮电出版社。2004.