基于802.15.4/ZigBee无线传感器网络节点的物理层设计

摘要：    无线传感网络和ZigBee都是目前研究的热门对象。本文简要介绍了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的无线传感网络的主要优势,重点介绍了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的传感器节点模型以及可供选择的几款传输模块芯片,并给出了一个实际的节点设计方案。
关键词：    无线传感网络;802.15.4;ZigBee节点;无线传感器

引言

以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要较高的传输带宽,但却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗,使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列。IEEE802.15.4/ZigBee标准把低功耗、低成本作为主要目标,为传感器网络提供了互连互通的平台。目前基于该技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。

简介

IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术,网络层以上协议由ZigBee联盟制定,IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。协议栈结构如图1所示。

图1 ZigBee协议栈结构
 
物理层

物理层采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频)技术,可提供27个信道用于数据收发。IEEE802.15.4 定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两种物理层标准。物理层的主要功能包括：激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据。

数据链路层

IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC。IEEE802.15.4的MAC子层支持多种LLC标准。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输;而LLC子层在MAC子层的基础上,给设备提供面向连接和无连接的服务。MAC子层功能具体包括：协调器产生并发送信标帧,普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步;支持PAN网络的关联和取消关联;支持无线信道的通信安全;使用CSMA-CA机制;支持保护时隙(GTS)机制;支持不同设备的MAC层之间的可靠传输。LLC子层功能包括：传输可靠性保障和控制;数据包的分段与重组;数据包的顺序传输。

传感器的显著优势

基于IEEE 802.15.4标准,可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。另外,采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,可使得通信效率非常高。 一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准。ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务,特别是传感器网络。

低功耗、低成本

在基于ZigBee的传感器网络中,可以由全功能设备作为Sink节点,终端节点一般使用削减功能设备来降低系统成本和功耗,提高电池使用寿命。

大容量、短时延

单个网络中可容纳更高密度的节点。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备,一个区域可以有100个ZigBee网络同时存在,特别地能满足大规模传感器阵列的要求。

协议简单、高安全性

ZigBee协议栈长度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11的1/4,这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。ZigBee 技术提供了数据完整性检查和鉴权功能,提供了三级安全模式,可灵活确定其安全属性,网络安全能够得到有效的保障。

基于IEEE/ZigBee传感器节点的设计

传感器节点的硬件参考模型

无线传感器网络微型节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换,采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等;数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;数据通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;电源管理模块选通所用到的传感器,节点电源由两节1.5V碱性电池组成,今后将采用微型纽扣电池,以进一步减小体积。

本文设计的传感器节点实现机理是以IEEE/ZigBee 传输模块代替传统的串行通信模块,将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点同样包IEEE/ZigBee无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。

传感器节点的各模块器件选择

随着IEEE/ZigBee标准的发布,世界各大无线芯片厂商陆续推出了支持该标准的无线收发芯片。这些芯片大都集成了该标准的物理层功能,可作为传感器节点的通信模块。采用微控制器作为处理模块实现MAC层功能。

·无线收发芯片选择

无线收发芯片的选择主要考虑以下因素：

① 频段：IEEE 802.14.5定义了两种工作频率。一般来讲,高频率能提供高的数据传输速率,但对天线要求较高,高速率也意味着需要耗费更多的能量。各国对无线电产品都有严格的管理和监督,根据国内无线频谱管理相关规定,只能选择工作在2.4GHz频段的器件。

② 调制方式：无线传感网络规模大、密度高和带宽窄的特点使得其存在严重的内部通信干扰。因此WSN需要实现简单、抗干扰能力强、功耗低且成本低廉的调制和扩频机制。目前广泛应用的包括FSK和OQPSK两种。其中FSK具有设备简单、调制和解调方便等优点,并且具有较好的抗多径时延性能。

③ 睡眠电流与唤醒时间：传感器通常处于睡眠状态,睡眠唤醒时间以及睡眠电流都是必须考虑的指标。表1列出了几种常见收发芯片的主要指标。综合考虑以上因素,适合在国内使用的射频芯片是工作在2.4GHz频段的CC2420和CC2430。

·处理器的选择

处理器是传感器节点的核心,在选择时,必须满足体积小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足够快、成本尽量低等几个要求。AVR单片机在软／硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡,是高性价比的单片机。高档ATMega系列AVR单片机,主要包括ATMega8/16/32/64/128等型号,片内集成了较大容量的存储器(存储容量分别为8/16/32/64/128 KB)和丰富强大的硬件接口电路,具有先进的RISC精简指令集结构。

·传感器和电源

传感器应根据实际的需要进行选择,可以是温度、湿度、强度、加速度、震动等传感器。电源采用5号电池。

节点参考设计原理图

传感器节点参考设计的电路原理图如图2所示。采用CC2420无线收发芯片作为传输模块,AVR Mega128作为处理器。图中不包括具体的传感器器件,可根据具体的应用添加。由Mega128和CC2420可以实现IEEE 802.15.4的物理层协议。

图2 基于IEEE/ZigBee的无线传感器网络节点参考设计电路图 

电路设计主要包括三个重点部分,即射频接口电路、处理器接口电路和上层应用接口电路。射频接口就是CC2420芯片射频引脚与天线之间的电路。CC2420的射频信号采用差分方式,其最佳差分负载是115+j180Ω,阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。本设计采用50欧姆单极子天线,阻抗匹配电路采用巴伦 (BALUN)。巴伦电路由成本低廉的电感和电容构成(参见图2),包括电感L1、L2、L3和电容C3、C4、C5、C6。其中电感L1、L2还为芯片内部的低噪声放大器和功率放大器提供直流偏置。

结语

本文重点讨论了基于IEEE 802.15.4/ZigBee标准的WSN的优点及其节点设计,低成本、低功耗、应用简单的协议的诞生为无线传感网络及大量基于微控制应用提供了互联互通的国际标准,不同厂商的微传感器之间基于统一的标准才能实现互连组网。开放性的产品间的竞争将最终导致传感器的批量生产并降低成本,从而为推动无线传感网的应用及相关产业的发展提供有力的契机。

参考文献
1． ZigBee Alliance document. http://www.ZigBee.Org.
2． IEEE std. 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN). http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf
3． 于海斌, 曾鹏, 梁晔. 智能无线传感器网络系统. 科学出版社, 2004.
4． 韩旭东, 张春业. 传感器无线互连标准及实现. 电子技术应用, 2004, 30(4).