1、1 引 言传感器作为人们感官的延伸,在现代社会中得到了越来越广泛的应用。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展, 传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。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、短程无线通信技术, 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; 可以应用于医疗健康 , 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; 在商业上, 无线传感器网络和中心主控计算机相结合, 能够给人们提供更舒适、方便、人性化的家居环境。普通节点和
2、汇聚节点的 CPU 模块都采用 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说，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，可以满足各种需要的数据采集与监控的应用，具有一定的通用性。此外射频部分采用 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说无疑是最合适的无线局域网通信协议。2 无线传感器网络中普通节点和汇聚节点的硬件设计2.1 WSN 普通节点的硬件体系结构无线传感器节点的普通节点负责将实时数据采集起来并将其发送到邻居
3、节点，其硬件结构图如图 1 所示。图 1: WSN 中普通 Sensor Node 结构2.2 WSN 汇聚节点的硬件体系结构汇聚节点的作用是将传感器节点发送的数据收集起来，并进行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。图 2: WSN 中汇聚 Sink Node 结构各部分的具体组成中央处理器 CPU 部分：由于整个设计要以低功耗为原则，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，能够在低电压下以超低功耗状态工作;其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设 ;带 60k Flash ROM 存
4、储器的单片机可以存储大量的节点数据采集信息还可以方便高效地进行在线仿真和编程。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 在节电模式耗电为 0.1mA，等待模式下仅为 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 是最佳选择。无线通信模块设计：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 Smar
5、tRF03 技术,采用 0118m 工艺。为了保持和 ZigBee4 标准一致,CC2420 支持 250kbps 数据传输率。芯片具有 50 个寄存器：33 个控制、状态寄存器;15 个命令选通寄存器;2 个先入先出缓存控制寄存器。本设计的一个主要创新之处在于选取了硬件上支持 IEEE 802.15.4/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安全层，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信中的特点和对于无线传感器网络中应用的优势。低功耗:由于 ZigBee 的传输速率低,发射功率仅为 1mW,而且采用了
6、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
7、 254 个从设备和一个主设备,而且网络组成灵活。可靠: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: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。CPU 和 RF 接口设计如图所示： 图 3: MCU 与 RF 之间的接口单片处理器通过 4 线制 SPI 总线接口和射频芯片 CC2420 通信，
8、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 引脚进行状态的控制和读取信息;射频天线部分的原理图如图 5 所示，在 2.4G HZ 的无线通信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，在实际中取得了很好的效果，天线部分的阻抗匹配电路原理图如下面所示。图 4：射频天线部分的信号保护原理图USB-UART5转换模块：USB 2.0 标准已经成为现在计算机和外围设备的标准通信接口。这样用户可以很方便的携带移动设备，设备之
9、间可以达到很快的数据传输速度并达到很好的抗干扰性，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，一个标准 RS232 串口，还有一个多功能口。如图所示总线转接芯片周围电路原理图。图 5: USB 转 232 总线芯片原理图数据采集电路4：节点的数据采集部分可根据实际需要选定合适的传感器，如振动、声响、温度、光线等，因为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
10、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：数据采集部分程序：ADC12Init：初始化 CPU 的 AD 采集通道数，采集时间，位数，等基本信息，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 操作 CC2420 中的寄存器的时序参见4。SPI 操作设置 CC2420 程序设计分为基本的异步串行口发送接收程序，设置控制状态寄存器的函数;读取、更新射频芯片状态寄存器。具体的 API 函数可以参考文中表一的
11、设计。表一 射频控制 API 函数 3.2 通信协议程序设计IEEE802.15.4/ZigBee 传输的帧格式及其作用:在 IEEE802. 15. 4 标准中,定义了一套新的安全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各种数据。如图所示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行控制和监视;数据型数据帧结构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,具体的接收目标也由这两种帧结构中的“目标地址”给定。返回帧是返回型数据帧结
12、构的作用是无线模块将发送数据接收情况反馈给自身的帧。图 6： 符合 IEEE 802.15.4/ZigBee 通信协议帧程序中定义发送数据结构体和接收数据结构体包括下列信息：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、以及一种能够通过 USB-COM 端口对传感器节点进行接口供电、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优势的 ZigBee 通信协议，并对 ZigBee 协议栈的技术细节进行研究。设计了 ZigBee 无线通信协议栈的通信程序，能够很好的符合无线传感网络的各种需求。通过软件设计的无线通信协议。
