基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与实现

更新时间:2024-01-21 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:29588 浏览:133816

摘 要 :本文首先介绍了ZigBee相关概念,然后对基于ZigBee的无线传感器网络节点的开发平台进行介绍说明,最后就如何利用CC2430芯片进行基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与实现进行分析.

关 键 词 :ZigBee;无线传感器;网络节点;设计

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1007-9599 (2012) 16-0000-02

1.ZigBee概述

1.1 ZigBee协议构建

ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术.完整的ZigBee协议栈从下到上分别为物理层(PHY)、介质接入控制层(MAC)、网络层(NWK)以及应用层(APL)等.

首先,物理层通过射频硬件和射频固件提供了一个物理层管理实体怎么写作接入点和一个数据怎么写作接入点,通过这两个怎么写作接入点,可以为物理层的数据管理提供怎么写作,ZigBee物理层数据包的格式一般由同步包头(前同步码和帧定界符)、物理层包头(长度为7位的帧、1位预留位)、物理层净荷即PSDU三大部分组成.其次,介质接入控制层主要用来处理所有物理层的无线信道接入情况,MAC层包含一个管理实体,该实体不仅可以调用MAC层管理功能,而且还负责维护MAC层固有的管理对象的数据库,MAC层数据包格式,由MAC层帧头(帧控制、序列号、目的PAN标识符、目的地址、源PAN标识符、源地址)、MAC层载荷和MAC层帧尾组成.再次,网络层的主要功能是通过提供相应的API函数,来为应用层提供合适的怎么写作接口,主要提供配置新设备、初始化一个网络、连接和断开网络、寻址、邻居设备发现、路由发现、以及接收控制的怎么写作.最后,应用层标准也由ZIGBEE联盟制定.由三部分组成:APS子层、ZDO和制造商定义的应用对象.APS提供了在NWK层和APL层之间,从ZDO到供应商的应用对行啊的通信怎么写作集.怎么写作由APS数据实体和APS管理实体这两个实体实现.ZDO描述了一个基本的功能函数,在应用对象、设备Profile和APS直接提供一个接口,满足所有在ZigBee协议栈中应用操作的一般需要.ZDO还有初始化APS、NWK、SSS的作用以及确定和执行发现、安全管理、网络管理、绑定管理的作用.

1.2 ZigBee支持的网络拓扑结构介绍

ZigBee的工作节点都是可以独立的,通过无线通信可以组成不同的网络.根据所组成的网络拓扑结构的不同,各个节点的功能也并不相同.选用不同的网络拓扑结构,对各种节点的需要也不相同.ZigBee支持多种网络拓扑,包括:星状网络、树状网络、网状网络.无论是哪一种网络拓扑结构,每个独立网络值有唯一的协调器,可以由网络中的全功能节点实现.

2.基于ZigBee的无线传感器网络节点的开发平台介绍

2.1 开发平台的硬件说明

基于ZigBee的无线传感器网络节点的开发平台硬件部分主要分为无线传感器、无线传输装置、节点模块与计算机通信模块、电源部分等.

无线传感器采用符合国际标准的传感器模块,该传感器模块可以将采集的模拟信号,通过16位模数转换芯片AD7705,将数据送入CC2430中.

基于ZigBee的无线传感器网络节点的开发平台的无线传输硬件平台的核心是符合ZigBee标准的2.4GHz的射频芯片CC2430.CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器.包括1个8为MCU(8051)、32/64/128KB可编程闪存、8KB的RAM、模数转换器、几个定时期、AES128协同处理器、看门狗定时器、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚.

为实现与计算机的通信,可以采用基于电平转换芯片MAX232的RS232电平转换电路,实现串口连接.

电源部分选用AH805升压稳压器,这样可以将干电池提供的3V电压转变为满足MAX232电路的5V电压.

2.2 开发平台的软件说明

基于ZigBee的无线传感器网络节点的开发平台选用IAR公司推出的IAR Embedded Workbench的C/C++交叉编译其和调试器作为软件开发平台.该平台包括:嵌入式C/C++优化编译器、汇编器、连接、库管理员、编译器、项目管理器以及C-SPY调试器.

3.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与实现

3.1 zigBee网络节点设计要求

(1)可靠性.与有线传输介质相比,ZigBee网络节点所采用的无线信号传输介质不容易受到外界干扰因素的影响,但是与其他无线信道之间干扰是不可避免的.为保证ZigBee网络节点可以在有效范围内建立可靠的数据传输,ZigBee网络节点在设计时应有效选择合理的信道接入方式,有效利用扩频技术,以达到减少帧冲突的目的.

(2)通用性.ZigBee网络节点设计的最终目的是通过网络完成各类操作,主要是A/D操作和I/O操作,这就要求ZigBee网络节点设计时要具有一定的通用性,从而可以满足不同类型传感器和终端设备的操作要求.


(3)低功耗.低功耗是进行ZigBee网络节点设计重要要求,在进行ZigBee网络节点设计时,一般应支持休眠-唤醒模式,同时还可以通过引入功率控制机制以实现ZigBee网络节点低功耗的效果.

3.2 基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计方案

基于ZigBee的无线传感器网络节点的整体硬件结构主要由信息采集模块、无线通信模块、数据接收模块和电源模块所组成,其中信息采集模块主要有参数采集传感器和A/D转换器所组成;无线通信模块主要包括CC2430无线模块和发送天线;数据接收模块包括接收天线和数据接收终端设备.电源模块负责整个ZigBee无线传感器网络节点其他各硬件功能模块的电力供应.

CC2430是实现无线通信功能的核心,由于其内部已经集成了大量必要的电路,因此采用较少的电路就可实现信号的收发功能.C191和C211为22pF,连接32MHz晶振电路;C241、21为220nP去耦合电容,用来电源滤波;C341为5.6pF,电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成;31、41为15pF,为可选的低功耗设计;L321为8.2nH;L331为22nH;L341为1.8nH;R221为56KΩ;R261为43KΩ.

3.3 基于ZigBee的无线传感器网络节点的软件设计

基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计采用星状网络结构,所有的传感器节点与协调器相连,协调器柑橘各个节点加入网络后所发送的网络地址建立一个地址表,根据地址表中存储的地址收集各个节点传过来的数据.当传感器节点接入网络时,就按设计的流程进行数据传送.而数据处理中心接收部分在开始时要寻找组建网络,并且负责接受数据,如果有异常就发出警报.

3.4 基于ZigBee的无线传感器网络节点的实现效果

连接好CC2430无线通信芯片后,将无线通信芯片及电池绑在要采集信号的区域.打开信号采集传感器节点开关及无线通信模块开关.无线通信模块通过自组织网络技术自动搜索信号采集区域里的ZigBee网络进行连接,连接成功之后,传感器节点开始工作,将传感器采集到的信号通过无线通信的方式及时的发送到数据接收控制中心的计算机屏幕上,进而实现基于ZigBee的无线传感器网络节点的信号采集和无线传输功能.

无线传感器网络对人们生活有着非常重要的影响,随着ZigBee无线技术的不断成熟和发展,基于ZigBee的无线传感器开始越来越多的为人们所关注,因此对基于ZigBee的无线传感器网络的研究就具有重要的意义.通过这些研究,可以有效促进该技术在产业化方面的发展,对推动无线网络通信的发展具有重要的作用.

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