基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与实现

无线传感器网络(WSN)是由大量分布式智能传感器节点组成的面向任务的无线个人局域网(WPAN)，它融合了微电机技术、数据采集技术、嵌入式计算机(MCU)技术、现代网络与无线通信技术、分布式信息处理技术、节点节能技术等多个领域的技术。通过多功能传感器点对目标信息进行实时监测，由MCU对信息进行处理，由WPAN进行数据通信，由主控PC系统软件将千万个节点采集的数据进行综合分析处理及控制。WSN技术具有广阔的市场前景，可以广泛应用于国防、反恐、工农业监测、城市管理、生物医疗、环境监测、森林防火、抢险救灾、工程检测、智能大厦、危险区域远程控制等诸多领域。

另一方面，新兴的ZigBee技术具有体积小、无需线缆、可容纳节点数多、工作频段免费、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自动动态组网、可互操作、多跳传递、拆装方便等特性，因此十分适合于组建无线网络，本文将讨论一个基于ZigBee技术的无线应变节点网络的设计。

基于ZigBee技术的无线传感器节点的设计思路

2005年6月公布的ZigBee/IEEE802.15.4标准采用低数据速率(250kbps)来取代低功耗、低成本和小体积的特性，这使其在所有短程无线技术中具有极大的潜力。采用在大多数应用可接受的低速率，独特的节能管理(信标唤醒/休眠)技术、减小占空比(2%)以及数据优化融合模式，可以实现无需电源连线的小型电池供电。通过采用DSSS编码、半正弦脉冲形状的偏移正交相移键控调制、128位加密算法等先进技术，可以保障通信与数据的安全性。图所示为嵌入式应变传感器节点的内部结构框图，其中内嵌了TI最新单芯片ZigBee SoC的双核多线程结构。

嵌入式应变传感器节点的内部结构框图(内嵌TI最新单芯片ZigBee SoC的双核多线程结构)。

本设计为可外接应变片的开放式传感器，应变测量传感器采集应变片电桥失衡产生的微伏级电压信号，比其它采集毫伏级信号的传感器要复杂得多(如温度、振动、烟尘传感器)，其主要原因是：

1. 桥路电流大于10mA时应变片会发热不稳定，因此要求供桥电压低且高度稳定。从而导致产生信号很小，一般为1με/1μV。

2. 要求可编程信号调节器的放大倍数达到千倍左右，并且具有高稳定性和超低噪声特性。本设计中采用的是24位A/D及可编程抗混滤波器。

3. 由于应变测量必须根据需要来现场灵活设置测点数量、半桥/全桥、灵数系数、初始值、加载值、多种应变花计算等，大量复杂的分析处理都采用(资源有限的嵌入式节点內嵌)专用MCU来完成。

4. 射频通信必须采用节能的ZigBee芯片，以实现安全可靠的数据传输，其内嵌的MCU将完成复杂的通信及网络管理任务。为此，设计了4个定时器、4组程序/数据存储器(分别提供8、32、64、128kB的闪存空间)、4个振荡器(分别为32MHz、32.768kHz晶振，16MHz、32.768Hz RC振荡器)用于系统时钟和定时操作。用一个4种功耗状态节能管理器，一个AES协调处理器CSMA/CA、128-AES加密技术来提供认证和加密，以尽可能少地占用微控制器。中断控制器有18个中断源提供服务，每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。设计了一个可编程看门狗、两个可编程USAT，用于主/从SPI或UART操作。此外，还设有CRC-16校验，一个信号强度/数据质量检测/数字RSSI及品质指示LQI。

5.无线个人局域网的生命周期依赖于电池寿命，节能技术也是WPAN技术中的难点之一。本设计中的节点必须具有射频通信、信号调理器和供桥等三种不同要求的电源，对低功耗的要求比其它信号传感器要高得多。节点电池静态电流为：休眠状态30μA，唤醒工作状态27~40mA；耗电管理状态：100%、66%、33%、更换电池预警四级管理。

在硬件设计中，考虑到要求1微伏信号的稳定、超低噪声和抗干扰等综合因素，需要精心处理射频与低频、数字与模拟、三种电源间分别接地的安排，任何微安级的地电流干扰都会使得前功尽弃。

无线传感器网络的软件设计

由于数据采集与信号调理、射频通信、节能、数据优化处理(使传输的数据包最小化)等大量复杂的分析处理都在资源有限的嵌入式节点內完成，因此必须精心设计面向特定应用的操作系统Tinyos。Tinyos采用基于双核4线程架构的组件，包括主组件、应用组件、执行组件、传感与程控放大组件、通信组件、硬件抽象组件和电源节能管理组件。每个组件内封装了命令处理程序和事件处理程序，它们通过接口声明所调用的命令或外部触发的事件两种方式来工作。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。本设计采用了基于优先级，兼顾时限和任务的调度方式的嵌入式软件技术。

此外，鉴于本网络系统具有以下特点：节点程序/数据存储量小、传输速度250kbps、节点密度大、突发性/间歇性信息、低功耗、安全性、并发性、移动性、健壮性、节能的协议堆栈，常规的编程技术无法满足本系统的特殊环境和要求，必须采用双核多线程架构，并有针对性地创建新技术来设计系统软件。本文中采用了基于优先级的可抢占/不抢占调度、兼顾时限/任务调度、动态/静态时间片轮询调度的创新技术来设计嵌入式软件。

中央控制中心PC机系统软件初步设计的功能包括以下方面。1. 模块选择：应变模块、温度模块、湿度模块、荷重计量模块、环保模块、资产跟踪模块、身份识别模块、军事模块、智能大厦模块、小区抄表模块等；2. 状态监控设置：数据采集次数、时间间隔、事件触发采集等；3. 数据采集、数据处理、查看数据等；4. 其它参数设置：各种文件名称、时间、单位名称、本次监测实验名称等。

基于ZigBee技术的无线网络的工作原理

首先，各节点加电，完成自检功能后，由中央控制中心自动找到工作频率范围内干扰最小的信道，并建立网络。其余节点自动找到中心并申请入网。中央控制中心向节点发送网络参数，收到参数的节点保存参数并加入网络。当某节点由于距离/干扰不能直接与中心通信时，则自动向周围节点广播自身信息，通过评价周围节点到中心的路由信息来决定使用哪个节点作为其父节点，从而完成入网过程。

上述过程在非人工干预下自动完成(甚至在节点移动中)组网，然后开始数据采集与传输：指令/事件触发某节点→采集环境参数→放大、滤波、A/D、加密数据暂存→绑定(确定发、收信息目标地址)→入网通信受阻→改变路径/扩、变射频→再次申请入网→应答许可→传递数据→检查通信/数据接收质量(可能跳传千百次)→首汇集(路由)父节点(接力式)功放转发→再次路由/检查链路质量(或由GSM/网关上传至有线网)→中央控制中心收集各节点数据/分析处理→通知某节点执行控制→采集节点休眠/冬眠/离开网络(以上工作在20ms内完成)→当一个节点或部分节点失效时，剩余节点自动组成新的网络，静候指令/触发工作→“虚拟网络管理员”全网巡察……与数字电台无线遥控遥测SCADA系统相配合，可构成具有50公里覆盖范围的控制系统。