无线传感器网络节点的设计.docx
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无线传感器网络节点的设计
无线传感器网络节点的设计
摘要无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
本论文通过多方面的对比，提出了一种低成本、低功耗的传感器节点的设计方案。
该方案基于ZigBee技术，以无线射频芯片CC2430和片内温度传感器为核心设计了一个实时监测外界环境温度的传感器节点。
该节点可以将检测到的温度以无线通信方式传递给网络中心节点，继而由网络中心节点通过串口通信方式发送给用户计算机,由此用户即可实时掌握被监测区域的温度。
关键词无线传感器网络；节点；ZigBee；CC2430；温度
TheDesignofWirelessSensorNetworkNode
AbstractWirelesssensornetwork（WSN）isamulti-hopandself-organizednetworkformedfromalargeamountofcheapminiaturesensornodesdeployedinmonitoredareabywirelesscommunication,whosepurpposeistocollaborativelyperceive,collectandprocesstheinformationofperceivedobjectsinthenetworkcoverageareaandtosendittotheobserver.
Bycomparingseveralaspects,thispaperputsforwardalowcostandlowpowerconsumptiondesignschemeofsensornode.TheschemebasedonZigBeetechnology,withwirelessRadio-frequencychipCC2430andinternaltemperaturesensorasthecore,designsasensornodethatcanreal-timemonitorexternalenvironmenttemperature.Thenodecantransferdetectedtemperaturetothenetworkcenternodebywirelesscommunication,thenthenetworkcenternodesentittothecomputeruserthroughserialcommunication.Thustheusercanreal-timemasterthetemperatureofthemonitoredregion.
KeywordsWSN;node;ZigBee;CC2430;temperature
目次
1无线传感器网络概述1
1.1无线传感器网络的基本概念1
1.2无线传感器网络的体系结构1
1.3无线传感器网络的应用前景及发展现状2
2传感器节点3
2.1传感器节点的结构3
2.2节点中常用的处理器和射频通信模块4
2.3传感器节点的设计原则4
3CC2430芯片和ZigBee技术6
3.1CC2430芯片6
3.2ZigBee技术9
4系统总体设计12
4.1硬件设计12
4.2软件设计13
结论17
参考文献18
附录ACC2430芯片内部结构图19
附录B系统原理图20
致谢21
1无线传感器网络概述
1.1无线传感器网络的基本概念
无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
从上述定义可以看出，传感器、感知对象和用户是传感器网络的三个基本要素。
无线网络是传感器之间、传感器与用户之间最常用的通信方式，用于在传感器与用户之间建立通信路径。
协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是传感器网络的基本功能。
传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成。
电源为传感器提供正常工作所必需的能源。
感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。
处理部件负责协调结点各部分的工作。
通信部件负责与其他传感器或用户的通信。
软件是为传感器提供必要的软件支持。
传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者，可以是人也可以是计算机或其他设备[1]。
1.2无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络结构如图1所示，无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。
大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过卫星、互联网或移动通信网络到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据[2]。
图1无线传感器网络体系结构
1.3无线传感器网络的应用前景及发展现状
无线传感器网络的应用前景十分诱人。
传统应用有军事、监控、应急、环境监测、防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。
可以预计，将来无线传感器网路将无处不在。
但现在无线传感器网络才刚刚兴起，它的技术和应用都还不十分成熟，其终端要达到希望的要求还会有很长的一段发展历程。
目前，无线传感器网络的希望和要求主要集中在尽量节省的系统能量消耗、尽量节省的信息处理以及简易的信号收发。
对于无线传感器网络的网络协议的期待是：
用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效运行，到处存在接入的可能；利用广播信息，避免交互应答；简化的协议层次、简练的信令方式；节省的系统开销等。
正是基于无线传感器网络终端的要求，ZigBee协议应运而生。
ZigBee协议专用于无线传感器网络的通信协议，能最大可能的节省网络中能量，可以随时接入大量节点，高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感网络的首选协议。
2传感器节点
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。
从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。
图2所示为两种传感器节点的实物图，图中右边是一枚五角硬币，左边是两个实物，通过比较，可以看出传感器节点的体积是比较小的。
图2传感器节点实物图
2.1传感器节点的结构
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图3所示。
传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量[3]。
图3传感器节点结构
2.2节点中常用的处理器和射频通信模块
在传感器节点各单元模块中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。
处理器决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度，同时不同处理器工作频率不同，在不同状态下功率也不相同，因此不同处理器的选用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。
目前在大多数实际应用中，选用不同处理器的依据一般根据处理器工作频率、功率、内部程序存储空间大小、内存大小、接口数量以及数据处理能力是否能够满足实际应用的要求来进行选择。
目前问世的节点大多使用如下几种处理器：
ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，少部分节点根据特殊的要求采用了功能强大的ARM处理器，以及根据节点面向更加广泛用户的8051内核处理器。
表1无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较：
性能参数\处理器
ATMega128L
MSP430F1611
CC2430内核
总线带宽（位）
8
16
8
工作电压
3.3
3.3
2.0～3.6
工作电流
20mA
600uA
27mA
休眠电流
25uA
4.3uA
0.9uA
内部FLASH
128KB
48KB+256B
128KB
内部SRAM
4KB
10KB
8KB
在无线传感器网络节点中，核心部分除包括CPU外，另外一个重要的部分就是射频通信部分。
由于传感器网络应用的特殊性，使用像802.11这样的复杂协议，在该领域并不十分合适，主要是由于协议的复杂性会带来很大的能量消耗，同时节点的处理功能并不是十分强大，而使用这样复杂的协议要占用大量的处理器资源。
因此，各大公司以及研究机构并不采用802.11无线通信协议作为无线传感器网络的无线通信底层部分。
在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用ISM波段的普通射频通信以及具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信[4]。
表2无线传感器网络节点中采用的射频模块综合比较：
性能参数\射频模块
Nrf903
CC1000
CC2420
CC2430
通信频率（MHz）
433/868/915
300～1000
2400
2400
工作电压（V）
2.7～3.3
2.3～3.6
2.1～3.6
2.0～3.6
最大输出功率（dbm）
10
10
10
10
灵敏度（dbm）
-104
-110
-99
-94
传输速度（kbps）
76.8
76.8
250
250
协议
无
无
802.15.4/
ZigBee
802.15.4/
ZigBee
2.3传感器节点的设计原则
在节点的设计过程中，主要需要考虑以下几个因素：
1.节点的硬件成本要低廉。
无线传感器网络的规模一般比较大，在目标环境系统中，所布置的节点数量基本上在数百个到数千个以上，在如此大规模的布撒情况下，单个节点的成本问题就显得尤为突出。
因此，要求在能够满足系统需求的条件下，将节点的硬件成本降低到足够低；
2.节点具有足够的数据处理及存储能力。
无线传感器网络节点主要担负两项功能，一是进行环境数据的采集，二是进行数据传输。
数据采集过程一般由处理器直接控制完成，但在数据采集之后通常要对所采集的数据进行必要的处理以及存储等工作，在此要占用一部分处理器与存储器资源。
同时，由于节点要将所采集的数据进行无线发送，所以要对数据进行进一步加工，即将数据组成能够满足网络要求的数据包格式，由处理器将数据送往无线通信模块部分。
另外，传感器网络节点所担负的另外一项重要工作是路由功能，即将所接收到的数据包向下一级网络节点进行转发，路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器资源。
因此，无线节点要具有足够的数据处理和存储能力，能够同时完成数据采集与数据传输的功能；
3.节点具有低功耗设计。
无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数工作在野外环境或者人员不宜到达的地方，因而无线节点的电池不能够被随时更换，这就要求节点能够在有限的电源供电的情况下工作的时间尽可能长以延长网络的寿命，除采用大容量的电池以及像太阳能这样可以自己供电的方案之外，节电本身就要具有低功耗设计技术，从而达到延长节点寿命的目的；
4.根据不同应用场合的需要，无线传感器节点要具有不同的传感器接口，能与不同的传感器相结合，进行灵活的配置。
综上所述，CC2430芯片内部资源丰富，数据处理和存储能力较强，功耗低，传输速度快，并且处理器内核和无线射频模块集成在一起既可降低成本又能减小体积，所以选用CC2430芯片为最佳方案。
3CC2430芯片和ZigBee技术
3.1CC2430芯片
CC2430芯片是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。
适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。
ZigBee采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4GHz，应用于监视、控制网络时，其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。
3.1.1CC2430芯片的主要特点
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。
它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog-timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power-0n-Reset）、掉电检测电路（Brown—out—detection），以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。
CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
CC2430芯片的主要特点如下:
1）高性能和低功耗的8051微控制器核。
2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
4）在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。
5）硬件支持CSMA／CA功能。
6）较宽的电压范围（2.0～3.6V）。
7）数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
8）具有电池监测和温度感测功能。
9）集成了14位模数转换的ADC。
10）集成AES安全协处理器。
11）带有2个强大的支持几组协议的USART，以及l个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。
12）强大和灵活的开发工具。
3.1.2CC2430芯片的引脚功能
CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装，共有48个引脚。
全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类，引脚图如图4所示。
1）I/O端口线引脚功能
CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1端口是全的8位的，P2端口只有5个引脚。
通过软件配置相关SFR特殊功能寄存器，可使引脚作为通用输入输出引脚、片内外设使用引脚或外部中断使用引脚。
I/O口关键特性如下：
（1）可设置为通用I/O口，也可设置为片内外设使用的I/O口。
（2）在输入时，可设置为上拉、下拉或三态状态。
（3）全部21个I/O引脚都具有响应外部的中断能力，中断可以用来唤醒休眠。
1～6脚（P1_2～P1_7）：
具有4mA输出驱动能力。
8，9脚（P1_0，P1_1）：
具有20mA的驱动能力。
11～18脚（P0_0～P0_7）：
具有4mA输出驱动能力。
43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：
具有4mA输出驱动能力。
图4CC2430引脚图
2）电源线引脚功能
7脚（DVDD）:
为I/O提供2.0～3.6V工作电压。
20脚（AVDD_SOC）:
为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。
23脚（AVDD_RREG）:
为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。
24脚（RREG_OUT）：
为25，27～31,35～40引脚端口提供1.8V的稳定电压。
25脚（AVDD_IF1）:
为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8V电压。
27脚（AVDD_CHP）:
为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8V电压。
28脚（VCO_GUARD）:
VCO屏蔽电路的报警连接端口。
29脚（AVDD_VCO）:
为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8V电压。
30脚（AVDD_PRE）:
为预定标器、Div-2和LO缓冲器提供1.8V的电压。
31脚（AVDD_RF1）:
为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压。
33脚（TXRX_SWITCH）:
为PA提供调整电压。
35脚（AVDD_SW）:
为LNA/PA交换电路提供1.8V电压。
36脚（AVDD_RF2）:
为接收和发射混频器提供1.8V电压。
37脚（AVDD_IF2）:
为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压。
38脚（AVDD_ADC）:
为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压。
39脚（DVDD_ADC）:
为ADC的数字电路部分提供1.8V电压。
40脚（AVDD_DGUARD）:
为隔离数字噪声电路连接电压。
41脚（AVDD_DREG）:
向电压调节器核心提供2.0～3.6V电压。
42脚（DCOUPL）:
提供1.8V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。
47脚（DVDD）:
为I/O端口提供2.0～3.6V的电压。
3）控制线引脚功能
10脚（RESET_N）:
复位引脚，低电平有效。
19脚（XOSC_Q2）:
32MHz的晶振引脚2。
21脚（XOSC_Q1）:
32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。
22脚（RBIAS1）:
为参考电流提供精确的偏置电阻。
26脚（RBIAS2）:
提供精确电阻，43kΩ，±1%。
32脚（RF_P）:
在RX期间向LNA输入正向射频信号,在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。
34脚（RF_N）:
在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。
43脚（P2_4/XOSC_Q2）:
32.768kHzXOSC的2.4端口。
44脚（P2_3/XOSC_Q1）:
32.768kHzXOSC的2.3端口。
3.1.3CC2430芯片的典型应用电路
CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。
图5为CC2430芯片的一种典型硬件应用电路。
图5CC2430芯片的典型应用电路
电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。
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，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求。
内部T/R交换电路完成LNA和PA之问的交换。
R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。
用1个32MHz的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C211）构成一个32MHz的晶振电路。
用1个32.768kHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（CA41和CA31）构成一个32.768kHz的晶振电路。
电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电，C241和C421电容是去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性[5]。
3.2ZigBee技术
ZigBee是IEEE802.15.4标准的扩展集，IEEE802.15.4工作组主要负责制订物理层及MAC层的协议，ZigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等工作，定义了应用层和安全方面的规范，使得来自不同厂商的设备可以相互对话。
IEEE802.15.4满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型，其MAC层单一，物理层多样。
3.2.1ZigBee协议架构
ZigBee标准定义了一种堆栈协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。
在IEEE802.15.4标准的基础上，ZigBee定义了系统的高层，包括可采用的网络结构、安全层、应用会聚层和高层应用规范。
ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信）的物理（PHY）层和媒质接入控制（MAC）层，以及ZigBee堆栈层：
网络（NWK）层、应用层和安全服务提供层。
其协议架构如图6所示。
高层引用规范
应用会聚层
网络层
IEEE802.15.4
逻辑链路控制层
（LLC）
IEEE802.2
逻辑链路控制层
（LLC）
IEEE802.15.4
媒质接入控制层
（MAC）
868/915MHz
物理层
2.4GHz
物理层
Zigbee联盟
ZigBee联盟
IEEE802.15.4
图6ZigBee协议栈架构
PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。
MAC层的具体特征是信标理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，且为应用合适的安全机制提供方法。
IEEE802.15.4的数据链路层分成逻辑链路控制（LLC）和媒介访问控制（MAC）两个子层。
IEEE802.15.4的MAC层采用了简单灵活的协议，以保证低成本、易实现、低功耗等特点。
IEEE802.15.4的MAC子层支持多种逻辑链路层（LLC）标准，通过SSCS（Service-SpecificConvergenceSublayer业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层的服务，MAC层与硬件联系紧密，依赖于不同的物理层而实现。
其中LLC在IEEE802.6标准中定义，为IEEE802标准所共用。
IEEE802.15.4的MAC层为了增加灵活性，支持64bit的IEEE地址和16bit的短地址两类地址。
ZigBee网络中所有设备都被分配以唯一的64bit的IEEE地址，此地址的分配是动态的。
16bits的局部地址处理起来更方便，节约功耗。
一旦网络建立，可以使用短地址使网络可以支持超过65000个节点。
3.2.2ZigBee的技术参数及优势
ZigBee是为建立一种可靠的、高性价比的、低功耗的，可以实现监测和控制的无线网络而制定的，是一套完整的、开放的、全球统一的标准，是被全球公认的具有互操作性的解决方案，适用于家庭自动化与远程控制领域，其主要技术参数如表3所示。
表3ZigBee技术参数:
传输距离
可达10～75米，依赖功率输出和环境特性。
通信延时
15～30ms（典型搜索时延30ms，休眠激活时延15ms，活动接入时延15ms）。
寻址方式
64bitIEEE地址，16bit本地网络地址。
网络容量
一个ZigBee网络可容纳一个主设备，254个从设备；一个区域内可同时存在100多个ZigBee网络，由此最大容量可达25400。
网络拓扑
星型，点对点，网状。
安全机制
提供了数据完整性检查及鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可灵活确定采用何种安全机制。
成本估算
模块初始成本约6美元，随着市场成熟，
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