基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究-科技論文發(fā)表
本文針對(duì)于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì),為以后的進(jìn)一步研究提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。
1 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析
目前,主要的短距離無(wú)線通信技術(shù)除了ZigBee技術(shù)外,還有藍(lán)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(shù)做簡(jiǎn)單比較,具體參數(shù)如表1所示。
表1幾種無(wú)線技術(shù)的比較
參數(shù) |
ZigBee |
藍(lán)牙 |
紅外 |
WiFi |
UWB |
傳輸介質(zhì) |
2.4G 868/915M |
2.4GHZ |
980nm 紅外光 |
2.4GHZ |
2.4GHZ |
有效距離 |
10m—75m |
10m |
定向1m |
75m |
10m |
最大傳輸速率 |
250kbps |
1Mbps |
16Mbps |
54Mbps |
1000Mbps |
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) |
65535 |
7 |
2 |
30 |
/ |
電池壽命 |
長(zhǎng) |
較短 |
較短 |
短 |
/ |
協(xié)議棧大小 |
8—60K |
60—150K |
15—30K |
100—250K |
/ |
使用情況 |
免費(fèi) |
需要資格 |
免費(fèi) |
許可證費(fèi)用 |
/ |
優(yōu)點(diǎn) |
價(jià)格低廉,功耗低,容量大,保密性高 |
有限節(jié)點(diǎn)組網(wǎng),即插即用 |
無(wú)電磁污染 |
有限點(diǎn)組網(wǎng),速率高 |
速率高 |
缺點(diǎn) |
距離有限 |
距離短,有限點(diǎn)組網(wǎng) |
適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 |
距離短,功耗大,有限點(diǎn)組網(wǎng),軟件復(fù)雜 |
處于研究階段,無(wú)標(biāo)準(zhǔn) |
通過以上幾種通信技術(shù)的比較,可以看出,ZigBee技術(shù)在低速率,短距離無(wú)線通信方面具有一定的優(yōu)勢(shì),尤其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有很大的發(fā)展前景。它的低功耗延長(zhǎng)使用壽命,即使傳輸速率不高,但在感測(cè)與控制應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小,速率比較低的的傳輸系統(tǒng)。Zigbee技術(shù)的目標(biāo)就是針對(duì)工業(yè)、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等,例如燈光自動(dòng)化控制,傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系概述
2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其它傳感節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過多跳后路由匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)歲傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
圖1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng),它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱,通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能,除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外,還要對(duì)其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理,同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。
匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)比較強(qiáng),它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)化,同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù),并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn),有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源,也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無(wú)線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。
2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù);無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信,交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供應(yīng)模塊位傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量,通常采用微型電池。
本文無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是基于ZigBee協(xié)議來進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的思想是要實(shí)現(xiàn)低消耗、高靈活、高安全性通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)8路模擬數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)和SPI、IIC、1-Wire等接口的數(shù)字信號(hào)采集與傳輸;實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電源狀態(tài)檢測(cè)等。
2.3 ZigBee的協(xié)議棧概述
ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由一些層構(gòu)成,每個(gè)層都有一套特定的服務(wù)方法和上一層連接,完成各自的功能。ZigBee協(xié)議的整體框架如表2所示。
用戶 |
應(yīng)用層 |
ZigBee聯(lián)盟 |
API |
安全層(32/64/128位加密) | |
網(wǎng)絡(luò)層(簇型/星型/網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)) | |
IEEE802.15.4 |
MAC |
PHY(868/815MHZ 2.4GHZ) |
表2 協(xié)議棧的整體框架
IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)指定了兩個(gè)層:物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)作為ZigBee技術(shù)的物理層和MAC層。ZigBee聯(lián)盟在開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)七層模型基礎(chǔ)之上,建立它的網(wǎng)絡(luò)層NWK和應(yīng)用層的框架設(shè)計(jì),這個(gè)應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。
3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電源管理模塊和系統(tǒng)內(nèi)電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)及充電模塊等組成,系統(tǒng)還包括其他電路設(shè)計(jì),其中有鋰電池保護(hù)電路、RS232串行接口電路、DS18B20數(shù)字傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、LCD接口電路和其他外接口電路等組成。硬件系統(tǒng)如圖2所示。
圖2硬件方案框圖
系統(tǒng)的核心部分是微處理器模塊,主要完成節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制與任務(wù)調(diào)度等任務(wù);而無(wú)線通信模塊的任務(wù)是要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信傳輸;
電源管理模塊主要進(jìn)行電源上的管理;電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)及充電模塊則主要對(duì)電池電壓、電流、剩余電流以及溫度等各種狀態(tài)的監(jiān)測(cè),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(duì)節(jié)點(diǎn)所處地域的環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè);RS232串行接口電路其設(shè)計(jì)目的是完成節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)間連接的電平轉(zhuǎn)換;系統(tǒng)中對(duì)于傳感器模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離、偏置等處理則是由信號(hào)調(diào)理電路來完成;鋰電池保護(hù)電路是針對(duì)電池的安全運(yùn)行的保護(hù)措施;系統(tǒng)中的電池?cái)?shù)據(jù)顯示我們使用LCD模塊來實(shí)現(xiàn);
3.1 微處理器的選型
微處理器是無(wú)線傳感網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的核心,在選型時(shí),必須滿足體積小、功能強(qiáng)、外部接口豐富、集成度高、存儲(chǔ)容量大、效率快、功耗小、支持睡眠模式且以擴(kuò)展等幾個(gè)要求,常見的可作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的微處理器有Ateml公司的ATmega128L、TI公司的MSP430等。針對(duì)其特點(diǎn),本文選用ATmega128L。
3.2 電源電路設(shè)計(jì)
一般而言,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電設(shè)備是由電池來負(fù)責(zé),但是其存在的能量限度問題,因此這就需要對(duì)供電線路有更深刻的要求。在保證系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)計(jì)適合該電源的保護(hù)電路來完成正常供電。
3.2.1 電源管理模塊
穩(wěn)壓電源有兩種類型,即開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源主要是通過控制內(nèi)部晶體管工作在飽和、截止?fàn)顟B(tài)中,從而達(dá)到對(duì)輸出電壓有效值的調(diào)節(jié),雖然它的轉(zhuǎn)換效率非常高,但是外圍控制電路卻很復(fù)雜,并且輸出的電流會(huì)產(chǎn)生較大的疊加波紋,從而產(chǎn)生尖峰脈沖干擾,這將會(huì)影響模擬電路工作的穩(wěn)定性。而線性穩(wěn)壓電源的不同則是通過不斷調(diào)整串聯(lián)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(zhuǎn)換效率比較低,具有一定的壓差,但其線性調(diào)整率較好、外圍電路簡(jiǎn)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(wěn)壓電源芯片ADP3338-3.3。
3.2.2 DS2720鋰電池保護(hù)電路
本設(shè)計(jì)采用鋰電池節(jié)點(diǎn)供電,當(dāng)它產(chǎn)生短路、充電過壓、過溫、過流、放電欠壓時(shí),系統(tǒng)會(huì)因電池的損壞不能正常工作,從而影響系統(tǒng)整體的生命周期。就此問題我們選用DS2720設(shè)計(jì)了相應(yīng)的鋰電池保護(hù)電路,以保證節(jié)點(diǎn)運(yùn)行期間的電池安全運(yùn)行。DS2720為DALLAS公司設(shè)計(jì),它在具有傳統(tǒng)意義上的鋰電池保護(hù)功能的同時(shí),還擁有獨(dú)特的I-Wire接口,其作用是監(jiān)測(cè)電池正常運(yùn)行中所能發(fā)生的故障。
當(dāng)電池發(fā)生短路、過溫、充電過壓、放電欠壓、過流等現(xiàn)象時(shí),DS2720能及時(shí)通過I-Wire接口把故障信息上傳到ATmega128L,并對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。在電池停止供電前,主機(jī)可以及時(shí)掌握電池故障信息并通過聲、光報(bào)警及時(shí)反映出來,當(dāng)有備用電池組時(shí),主機(jī)可以通過備用電池組DS2720的64位ROM地址,啟動(dòng)備用電池組工作。為了提高系統(tǒng)運(yùn)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(gè)約4.7K的上拉電阻。
4.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能軟件設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中要完成無(wú)線通信,傳感信號(hào)采集等多種功能,這些功能的完成是由硬件電路及相應(yīng)的功能軟件實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)功能軟件包括傳感器數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)信息等模塊。節(jié)點(diǎn)軟件采用WinAVR開發(fā)工具GCC編譯器編寫。
4.1傳感器ADC數(shù)據(jù)采集
ADC采集程序主要完成對(duì)節(jié)點(diǎn)壓力、溫度、濕度、振動(dòng)、光強(qiáng)度等傳感器模擬信號(hào)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(nèi)部2.56V基準(zhǔn)。然后通過對(duì)寄存器ADMUX設(shè)置來進(jìn)行參考電壓源的選擇。當(dāng)參考電源發(fā)生改變時(shí),第一次的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果一定會(huì)出現(xiàn)誤差,我們應(yīng)將此次轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行舍棄。節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換通過對(duì)ADC多工選擇寄存器ADMUX、ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA、ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCL和ADCH的設(shè)置和訪問來實(shí)現(xiàn)。ADMUX控制參考電壓源選擇、ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)齊方式、模擬通道與增益選擇控制。ADCSRA控制ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)、ADC中斷、ADC預(yù)分頻器等內(nèi)容,ADCL 、ADCH為ADC數(shù)據(jù)寄存器,用于存儲(chǔ)ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
4.3電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)及充電模塊程序設(shè)計(jì)
DS2770是Dallas Semiconductor公司生產(chǎn)的電池電量計(jì)及鋰基和鎳基化學(xué)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(tǒng)進(jìn)行通信,以讀取電池電壓、溫度等檢測(cè)信息,同時(shí)讀寫E2PROM,因而可廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)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(shí)間將電池電壓、溫度、電流等參數(shù)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(jì)剩余電量。DS2770對(duì)電壓、溫度、電流、剩余電量的測(cè)量通過讀取相應(yīng)的寄存器獲取。DS2770監(jiān)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(fù)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(jié)語(yǔ):
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù),在特殊領(lǐng)域,它有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。 對(duì)其的進(jìn)一步研究,將滿足中國(guó)未來高技術(shù)民用和軍事發(fā)展的需要,不僅具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義,也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
參考文獻(xiàn):
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