基于ZigBee無線傳感器網絡節點的研究-科技論文發表

本文針對于ZigBee無線傳感器網絡節點進行了系統的研究設計，為以后的進一步研究提供一個良好的基礎。

1 ZigBee技術優勢分析

目前，主要的短距離無線通信技術除了ZigBee技術外，還有藍牙、紅外、WiFi和超寬帶通信UWB等。下面將這幾種常見的通信技術做簡單比較，具體參數如表1所示。

表1幾種無線技術的比較

通過以上幾種通信技術的比較，可以看出，ZigBee技術在低速率，短距離無線通信方面具有一定的優勢，尤其在無線傳感器網絡方面有很大的發展前景。它的低功耗延長使用壽命，即使傳輸速率不高，但在感測與控制應用具有很大的發展潛力。

ZigBee技術適合于承載數據流量較小，速率比較低的的傳輸系統。Zigbee技術的目標就是針對工業、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農業自動化和醫療護理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數據采集和監控，油田、電力、礦山和物流管理等應用領域。

2 無線傳感器網絡體系概述

2.1傳感器網絡結構

傳感器網絡結構如圖1所示，傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其它傳感節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點歲傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。

圖1傳感器網絡節構

傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能上看，每個傳感器節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其它節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節點協作完成一些特定任務。目前傳感器節點的軟硬件技術是傳感器網絡研究的重點。

匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉化，同時發布管理節點的檢測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。

2.2 傳感器節點結構

傳感器節點一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其它節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供應模塊位傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

本文無線傳感器節點是基于ZigBee協議來進行設計，設計的思想是要實現低消耗、高靈活、高安全性通信，實現對8路模擬數據傳感器信號和SPI、IIC、1-Wire等接口的數字信號采集與傳輸;實現對節點電源狀態檢測等。

2.3 ZigBee的協議棧概述

ZigBee協議棧結構由一些層構成，每個層都有一套特定的服務方法和上一層連接，完成各自的功能。ZigBee協議的整體框架如表2所示。

表2 協議棧的整體框架

IEEE802.15.4標準指定了兩個層：物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)作為ZigBee技術的物理層和MAC層。ZigBee聯盟在開放系統互聯（OSI）七層模型基礎之上，建立它的網絡層NWK和應用層的框架設計，這個應用層框架包括應用支持層(APS)、ZigBee設備對象和制造商所定義的應用對象。

3 系統整體設計

系統硬件主要由微處理器模塊、無線通信模塊、電源管理模塊和系統內電池狀態監測及充電模塊等組成，系統還包括其他電路設計，其中有鋰電池保護電路、RS232串行接口電路、DS18B20數字傳感器電路、信號調理電路、LCD接口電路和其他外接口電路等組成。硬件系統如圖2所示。

圖2硬件方案框圖

系統的核心部分是微處理器模塊，主要完成節點設備的控制與任務調度等任務；而無線通信模塊的任務是要實現節點間的數據通信傳輸；

電源管理模塊主要進行電源上的管理；電池狀態監測及充電模塊則主要對電池電壓、電流、剩余電流以及溫度等各種狀態的監測，并且在電量不足的情況下提供有效的電池充電功能；DS18B20的目的是對節點所處地域的環境溫度進行檢測；RS232串行接口電路其設計目的是完成節點與計算機間連接的電平轉換；系統中對于傳感器模擬信號進行放大、濾波、隔離、偏置等處理則是由信號調理電路來完成；鋰電池保護電路是針對電池的安全運行的保護措施；系統中的電池數據顯示我們使用LCD模塊來實現；

3.1 微處理器的選型

微處理器是無線傳感網路節點的核心，在選型時，必須滿足體積小、功能強、外部接口豐富、集成度高、存儲容量大、效率快、功耗小、支持睡眠模式且以擴展等幾個要求，常見的可作為ZigBee節點的微處理器有Ateml公司的ATmega128L、TI公司的MSP430等。針對其特點，本文選用ATmega128L。

3.2 電源電路設計

一般而言，無線傳感器網絡節點的供電設備是由電池來負責，但是其存在的能量限度問題，因此這就需要對供電線路有更深刻的要求。在保證系統硬件設備的低功耗前提下，工作電壓采用3.3V，電源采用4.2V的可充電鋰電池，并設計適合該電源的保護電路來完成正常供電。

3.2.1 電源管理模塊

穩壓電源有兩種類型，即開關穩壓電源和線性穩壓電源。開關穩壓電源主要是通過控制內部晶體管工作在飽和、截止狀態中，從而達到對輸出電壓有效值的調節，雖然它的轉換效率非常高，但是外圍控制電路卻很復雜，并且輸出的電流會產生較大的疊加波紋，從而產生尖峰脈沖干擾，這將會影響模擬電路工作的穩定性。而線性穩壓電源的不同則是通過不斷調整串聯在輸入和輸出電壓之間的功率晶體管來控制輸出電壓，雖然轉換效率比較低，具有一定的壓差，但其線性調整率較好、外圍電路簡單、體積小、成本低。因此電源管理模塊采用AD公司的低壓差線性穩壓電源芯片ADP3338-3.3。

3.2.2 DS2720鋰電池保護電路

本設計采用鋰電池節點供電，當它產生短路、充電過壓、過溫、過流、放電欠壓時，系統會因電池的損壞不能正常工作，從而影響系統整體的生命周期。就此問題我們選用DS2720設計了相應的鋰電池保護電路，以保證節點運行期間的電池安全運行。DS2720為DALLAS公司設計，它在具有傳統意義上的鋰電池保護功能的同時，還擁有獨特的I-Wire接口，其作用是監測電池正常運行中所能發生的故障。

當電池發生短路、過溫、充電過壓、放電欠壓、過流等現象時，DS2720能及時通過I-Wire接口把故障信息上傳到ATmega128L，并對電池進行保護。在電池停止供電前，主機可以及時掌握電池故障信息并通過聲、光報警及時反映出來，當有備用電池組時，主機可以通過備用電池組DS2720的64位ROM地址，啟動備用電池組工作。為了提高系統運行效率，電路中，DS2720和DS2720的I-Wire接口分別通過PD5、PB7接至ATmega128L，并需接一個約4.7K的上拉電阻。

4.無線傳感器網絡節點功能軟件設計

無線傳感器節點在網絡中要完成無線通信，傳感信號采集等多種功能，這些功能的完成是由硬件電路及相應的功能軟件實現的。節點功能軟件包括傳感器數據采集、監測電池狀態信息等模塊。節點軟件采用WinAVR開發工具GCC編譯器編寫。

4.1傳感器ADC數據采集

ADC采集程序主要完成對節點壓力、溫度、濕度、振動、光強度等傳感器模擬信號的采樣。

ADC的電壓源VREF我們可以參照AVCC、外接與AREF引腳的電壓或內部2.56V基準。然后通過對寄存器ADMUX設置來進行參考電壓源的選擇。當參考電源發生改變時，第一次的ADC轉換結果一定會出現誤差，我們應將此次轉換結果進行舍棄。節點則采用REF193芯片提供的外部參考電壓，即3v。

4.2寄存器的配置

ADC轉換通過對ADC多工選擇寄存器ADMUX、ADC控制和狀態寄存器ADCSRA、ADC數據寄存器ADCL和ADCH的設置和訪問來實現。ADMUX控制參考電壓源選擇、ADC轉換結果對齊方式、模擬通道與增益選擇控制。ADCSRA控制ADC轉換啟動、ADC中斷、ADC預分頻器等內容，ADCL 、ADCH為ADC數據寄存器，用于存儲ADC轉換的結果。

4.3電池狀態監測及充電模塊程序設計

DS2770是Dallas Semiconductor公司生產的電池電量計及鋰基和鎳基化學電池充電器控制集成芯片，它可以通過Dallasl-Wire接口與電源管理系統進行通信，以讀取電池電壓、溫度等檢測信息，同時讀寫E²PROM，因而可廣泛應用于便攜式電子設備中。DS2770工作流程圖3所示。

圖3 DS2770工作流程圖

DS2770每隔一段時間將電池電壓、溫度、電流等參數分別存入電壓寄存器、溫度寄存器和電流寄存器中。通過記錄電池凈流入流出電流，電流累加器可以估計剩余電量。DS2770對電壓、溫度、電流、剩余電量的測量通過讀取相應的寄存器獲取。DS2770監控程序如下：

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define CLK_0()         (PORTD &= ~BM(CLK))
void delay(void);
void lcd_earse(void);
int fmai;
unsigned char reset(void)//復位
{
    //int fmai;
DQ_0();
    _delay_us(29);
    DQ_1();
    _delay_us(2);
fmai=(PORTA >> DQ) & 0x01;
    //fmai=P10; //定義返回變量
    _delay_us(25);
    return(fmai);
}

結語：

無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和處理技術，在特殊領域，它有著傳統技術不可比擬的優勢。 對其的進一步研究，將滿足中國未來高技術民用和軍事發展的需要，不僅具有重要的社會和經濟意義，也具有十分重要的戰略意義。

參考文獻：

[1] 魯照權; 黃梅初; 杜征; 劉芳;   基于ZigBee無線網絡的大棚種植溫度監測系統[J]. 安徽農業科學 2008年13期

[2] 姜連祥; 汪小燕;   無線傳感器網絡硬件設計綜述[J]. 單片機與嵌入式系統應用 2006年11期

[3] 崔莉; 鞠海玲; 苗勇; 李天璞; 劉巍; 趙澤;   無線傳感器網絡研究進展[J]. 計算機研究與發展 2005年01期

[4] 張豫鶴; 黃希; 崔莉;   面向交通信息采集的無線傳感器網絡節點[J]. 計算機研究與發展 2008年01期

[5] 昂志敏; 金海紅; 范之國; 段勇;   基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與通信實現[J]. 現代電子技術 2007年10期