无线传感器网络协调器的研究和设计

1 概 述
    无线通信的方式有多样，与蓝牙、Wi-Fi、GSM移动通信方式相比，ZigBee联盟制定的 ZigBee方式具有功耗低、数据传输可靠、兼容性好、实现成本低以及组网方便的优点，非常适合低速率传输的无线传感器网络。ZigBee联盟成立于 2001年，2002年Invensys公司、三菱电气公司、摩托罗拉公司以及飞利浦半导体公司加盟，现在正迅速发展壮大。该联盟在基于IEEE 802．15．4的PHY层、MAC层及数据链路层之上，研究开发适合无线传感器网络的其他高层协议。
    物理层的2个标准是2．4 GHz和868／915 MHz，都基于直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spec-trum)技术，使用相同的物理层数据包格式。2．4 GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。它的物理层通过采用16相高阶调制技术能够提供250 kb／s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。
    ZigBee联盟定义了两种物理设备类型：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Re-duced Function Device)。ZigBee网络的星型拓扑结构通常由1个FFD和若干RFD组成。FFD充当网络协调器功能，其他设备只与协调器通信，由协调器决定处理要做的事情。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后由协调器将数据转发到目标接收器终端设备。通过FFD接力传送，网络又可以扩展成其他拓扑结构，如图1所示。

    随着ZigBee的研究发展，2005年，各大芯片制造商纷纷推出了符合ZigBee标准的收发模块和通信套件，但是目前只有挪威Chip-con公司 (CC2420/CC2430和CC2500／CC2550等)、美国Freescale Semiconductor公司(MC13192和MC13193)、美国CompXs公司(ML7065)和美国Ember公司(EM2420)四个原始设备生产商(OEM)的ZigBee套件符合联盟规定的标准。2007年德州仪器(TI)宣布推出ZigBee协议栈(Z-Stack)的免费下载版本。

2 设计与调试
2．1 研究目标
    网络协调器的主要功能是协调建立网络，其他功能还包括：传输网络信标、管理网络节点及存储网络节点信息，并且提供关联节点之间的路由信息；此外，网络协调器要存储一些基本信息，如节点数据设备、数据转发表及设备关联表等。
    问题是，目前ZigBee协议主要在低端8位或16位单片机上实现。对于网络协调器节点而言，其数据处理能力不强，且限于自身的硬件资源，很少能实现良好的人机交互界面。对功能要求较高的ZigBee协调器，这种构架很难满足应用的需求。而基于PC机的网络协调器节点，不但体积大、价格高而且功耗大，对于传输率不大的传感器网络来说十分浪费资源，所以开发基于ARM系列嵌入式芯片为核心微处理器的网络协调器是很有必要的。实验基于星型结构，在实现RFD功能的基础上，开发基于ARM9嵌入式的网络协调器，提供3．5英寸TFTLCD触摸屏作为人机交互，显示其他各节点的工作状况、测试参数情况，为日后高级应用提供平台。[!--empirenews.page--]
2．2 协调器硬件结构
    本设计射频芯片选用挪威Chipcon公司的CC2420(2．4 GHz，支持250 kb／s数据传输率)。微处理器采用S3C2440嵌入式工业级芯片。硬件框图如图2所示，ARM(左)+RFD(右)=ARM嵌入式网络协调器。

2．3 协调器软件结构
    采用嵌入式Linux操作系统，在TI公司ZigBee协议栈基础上，在原Bootloader、Kernel上修改文件系统，添加GUI应用程序，并修改系统启动脚本使应用程序在系统启动时自运行。网络协调器的实现过程中使用多线程技术，串口数据收发、GUI显示与按钮响应、ZigBee节点掉线检测3 个线程并发，提高系统响应速度。软件结构如图3所示。

2．4 系统数据流程
    MAC帧格式由以下基本部分组成：
    ①MAC层头帧(MAC Header，MHR)，包含帧控制域、序列号和地址信息；
    ②MAC净载荷(长度可变)，包含的信息指定了帧的类型；
    ③MAC层帧尾(MAC footer，MFR)，包含了一个帧校验序列。
    其中，MHR有固定的顺序，并不是所有的帧都包含地址域。一般的MAC帧格式如图4所示。

2．5 系统ZigBee帧格式的定义与分析
    在RFD的设计中，ZigBee设备采用16位短地址，负载来自光敏电阻的采样电压值，为2字节，FCS由CC2420自动校验。所以，本设计中使用的帧长度为15字节。定义ZigBee帧的数据格式如下：

    将RFD节点和PC通过串口连接起来，通过串口调试助手可以观察到类似下列格式的帧：
    41 88 0A 01 OO 01 OO 00 OO 00 00 E2 03 F9 EB
    前2字节(88 41)为帧控制域，第3字节(OA)为帧序列号，4～5字节(00 01)为目的地址的PAN ID，6～7字节为目的地址(00 01)，8～9字节(00 00)为源地址的PAN ID，10～11字节(00 00)为源地址，12～13字节(03E2)为负载，14～15字节(F9 EB)为校验位。[!--empirenews.page--]
2．6 协调器的数据流程和软件流程
    通过天线接收RFD传输过来的数据帧，经过CC2420自动校验。若无误则经过解码、译码，然后经过SPI接口送往ATmega128L，再经过串口UART1送往S3C2440，经数据处理后显示于相应的LCD触摸屏上。协调器软件流程如图5所示。

3 实验结果
    当有两个RFD进入网络协调器的监测范围，LCD中便显示两个绿色小球，以及相应的地址、数据等信息。同理，当移开或停止RFD工作，两个绿色小球便同时从LCD中消失。

4 总 结
    本设计参考TI公司的ZigBee协议栈，在完成RFD功能后加入ARM9芯片及外围电路扩展成为无线传感器网络协调器。此协调器功能丰富：LED可指示工作状态，处理器可提高运算速度，LCD可人机交互，网口可连接Internet。所以不但可提升网络的整体性能，还为日后应用提供了基础。传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。