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無線傳感器網絡是當今國內外通信領域的一大研究熱點，它在軍事、民用及工商業領域都具有廣闊的應用前景。在軍事領域，通過無線傳感器網絡，隱蔽地分布在戰場上的傳感器可將獲取的信息回給指揮部；在民用領域，無線傳感器網絡可在家居智能化、環境監測、醫療保健、災害預測等方面得到廣泛應用；在工商業領域，無線傳感器網絡在工業自動化、空間探索和其他商業用途卜得到廣泛應用。 考慮到無線傳感器網絡在通信上消耗能量較大，故選用功耗較小的CC2420芯片作為通信芯片來設計節點。 1 無線傳感器網絡節點的特征 無線傳感器網絡由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數據處理功能的傳感器節點組成。因此，傳感器節點是尤線傳感器網絡的基本單元，節點設計的好壞直接影響到整個網絡的質量。無線傳感器網絡節點主要負責對周圍信息的采集和處理，并發送自己采集的數據給相鄰節點或將相鄰節點發過來的數據轉發給基站或更靠近基站的節點。它一般由傳感器模塊(傳感器、A／D轉換器)、處理器模塊(微處理器、存儲器)、無線通信模塊(無線收發器)和能量供應模塊(電池)組成，如圖1所示。 所有無線傳感器網絡節點都具有相同的功能，但在某一時刻，各個節點可能正在執行不同的功能。根據功能，可以把節點分成傳感器節點、簇頭節點和匯聚節點3種類型。當節點作為傳感器節點時，主要是采集周圍環境的數據(溫度、光度和濕度等)，然后進行A／D轉換，交由處理器處理，最后由通信模塊發送到相鄰節點，同時該節點也要執行數據轉發的功能，即把相鄰節點發送過來的數據發送到匯聚節點或離匯聚節點更近的節點；當節點作為簇頭節點時，主要是收集該簇內所有節點所采集到的信息，經數據融合后，發往匯聚節點；當節點作為匯聚節點時，其主要功能就足連接傳感器網絡與外部網絡(如Internet)，將傳感器節點采集到的數據通過互聯網或衛星發送給用戶。 2 CC2420芯片的性能和結構特點 CC2420是Chipcon公司開發的首款符合Zigbee標準的2.4 GHz射頻芯片，集成了所有Zigbee技術的優點，可快速應用到Zigbee產品中。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4定義的可靠的PHY(物理層)和MAC(媒體訪問控制層)之上的標準，它定義了網絡層、安全層和應用層。Zigbee的協議架構如圖2所示。 Zigbee技術的特點如下： a) 數據傳輸速率低：只有20～250 kbit／s，專注于低傳輸速率的應用。 b) 時延短：休眠激活時延和活動設備接入信道時延均為15 ms，典型的搜索設備時延為30 ms，這便可以使系統有更多的睡眠時問，從而大大降低能量消耗。 c) 功耗低：由于Zigbee的傳輸速率低，且采用了休眠模式，因此大大降低了功耗。單靠兩節5號電池便可維持6到24個月，這是其他無線通信技術望塵莫及的。 d) 安全性高：Zigbee提供了基于CRC(循環冗余校驗)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 e) 免執照頻段：采用直接序列擴頻在ISM(工業、科學、醫療)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)，均為免執照頻段。 f) 網絡容量大：Zigbee可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構，并采用IEEE標準的64-bit編址和16 bit短編址。由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時，主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。 g) 可靠性高：采用了CSMA-CA技術來避免發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。 h) 低成本：由于Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，因此大大降低了成本。 CC2420芯片除了擁有以上Zigbee的所有優點外，還具有與微控制器的接口配置容易(四線SPI串行口)、接收與發送采用不同存儲空間、所需外部元件較少以及采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7 mm×7 mm等性能特征。 CC2420芯片的內部結構如圖3所示。天線接收的信號經低噪聲放大器放大，并通過I／Q降頻轉換為2 MHz的中頻信號。該信號再經濾波、放大、A／D轉換、自動增益控制、終端信道過濾以及信號修正等，最終得到正確數據。當要發送數據時，先把要發送的數據放入容量為128字節的發送緩沖區。報頭和起始幀由硬件自動生成。根據IEEE 802.15.4標準，將數據流的每4個比特擴展為32碼片，然后送到D／A轉換器。最后，經過低通濾波和上變頻混頻，并在能量放大器中進行放大后，交由天線發送。 3 節點設計 由于在設計中用到的傳感器較少(主要是溫度傳感器和光傳感器)，因此將傳感器模塊集成到處理器模塊中。所以對節點設計的描述將分為處理器模塊、通信模塊和供電模塊3部分。其中處理器模塊選用ATmega128L作為處理器芯片，通信模塊選用CC2420作為通信芯片，在電源方面，采用2節5號電池提供3V供電。 3.1 處理器模塊 處理器是整個節點的中心，其他模塊都要通過處理器來聯系，因此處理器性能的好壞決定了整個節點的性能。ATmega128L芯片是ATMEL公司開發的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。它有128 kB的系統可編程Flash存儲器，4 kB EEPROM，以及4 kB的片內SRAM，同時還可以擴展外部存儲器；采用先進的RISC結構，大部分指令在一個時鐘周期內完成；有64個10引腳，都與通用單片機兼容；片內提供1個串行外圍接口SPI、1個兩線串行接口TWI和2個通用同異步串行接口，用于與外部元件的通信；并提供8通道10位采樣精度的A／D轉換器，該器件同時支持16路差分電壓輸入組合。 處理器與傳感器的連接如圖4所示。因為光傳感器與溫度傳感器的工作原理相似，因此它們可采用同樣的電路圖。圖中的R1為光敏電阻或熱敏電阻，R2為10kΩ電阻，用于保護電路，加入電容C1是為使A／D轉換器采樣所得到的數據更精確。 電路的工作原理是：用ATmega128L的一個引腳給電路提供電源，從圖中的電源端輸入電路。R1的阻值根據光(R1為光敏電阻)或溫度(R1為熱敏電阻)的變化而發生變化，從而引起其壓降的變化。將R1的負端與處理器的一個A／D轉換器端口連接，處理器即可收到一個電信號，然后處理器啟動A／D轉換功能，將電信號轉換為數字存入寄存器，當MCU需要處理或發送該數據時便可來取。利用下式可計算出十位二進制A／D轉換器讀數DADC。 式中：Vin為A／D轉換器引腳的輸入電壓；Vref為參考電壓。 3.2 通信模塊 在無線傳感器網絡中，最關鍵的技術是實現節點間的通信。隨著集成電路的發展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節點的能量主要是耗費在通信上。所以，選擇一塊低能耗的通信芯片將為節點節省能量，延長壽命。 CC2420是Chipeon公司開發的一款低功耗通信芯片。由于其喚醒時延短，使得它能有更多的時間處于睡眠狀態，從而大大降低了節點的能耗，延長節點的壽命。CC2420與ATmega128L的連接如圖5所示。 CC2420有4個SPI通信接口：CSn、SI、SO、SCLK，剛好對應ATmega128L的4個SPI通信接口：SS、MO-SI、MISO、SCLK。通過這4條線，處理器可以對CC2420進行寫入或讀取配置信息，也可以收發數據。由于CC2420只有從機模式，因此處理器只能采用主機模式。如圖5所示，由處理器的SCLK引腳提供時鐘頻率；SS引腳控制數據收發的同步性，在接收和發送時，都要保證CSn為低電平；MOSI與MISO分別是數據輸出和輸入的引腳。SFD引腳在發送或接收完開始幀后置為高電平，然后繼續發送和接收后面的數據。在接收模式下，若地址識別功能使能且識別成功或地址識別功能不使能，則SFD引腳直到所有數據發送完成才降為低電平。若地址識別功能使能但識別失敗，SFD引腳將馬上降為低電平。處理器的ICP引腳可以通過與SFD引腳的連接獲取數據發送和接收的時間信息。與CCA引腳的連接可使處理器獲取清除通道評估信號。FIFO和FIFOP是與CC2420的RXFIFO(接收數據存儲區)相關的兩個信號。當RXFIFO中有數據時，FIFO就變為高電平，直到RXFIFO為空為止。這樣，處理器便可通過讀取FIFO引腳的電平來判斷CC2420中是否有接收到的數據。當RXFIFO中未被讀取的數據超過某個門限值(可編程沒定)或整個數據包接收完成后還未被讀取時，FIFOP引腳就變成高電平。但是，當CC2420的地址識別功能使能時，只有到地址識別成功后FIFOP引腳才會發揮作用，這是為了防止處理器在CC2420的地址識別完成前讀取那些可能無效的數據。當RXFIFO發生溢出時，FIFO將變為低電平，同時，FIFOP變為高電平。所以與FIFO引腳和FIFOP引腳的連接可以讓處理器知道何時該讀取數據。將FIFOP引腳與處理器的一個外部中斷引腳連接，是為了讓處理器能及時讀取CC2420的RXFIFO中的數據，從而盡量避免RXFIFO的溢出。 3.3 供電模塊 由于無線傳感器網絡可能工作在人煙稀少或人類無法到達的地區，所以大多只能采用電池供電，且一般不可能更換電池。因此，如何降低節點能耗是無線傳感器網絡研究中最關心的問題之一。CC2420芯片采用低電壓供電(2.1 V～3.6 V)，同時，采用休眠模式，且從休眠模式被激活的時延短，因此有更多的時間處于休眠狀態，而處于休眠狀態時芯片的能耗極低，從而大大減少了能耗。CC2420各狀態下的電流消耗典型值如下：穩壓器關閉為0.02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18.8 mA，發送模式(輸出功率P=0 dBm)為17.4 mA。 同時，ATmega128L也是一款采用低電壓供電的芯片(2.7 V～5.5 V)。而且ATmega128L有6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式�？筛鶕枰�，通過軟件編程或硬件復位等方式來控制處理器進入睡眠模式，節省能耗。同時，各種睡眠模式都有各自的喚醒源，當有數據需要處理器處理時，便可由喚醒源將其喚醒，進入工作狀態，一旦處理完成，再次進入睡眠狀態。采用這種工作方式，處理器能夠最大限度地節約能耗。 3.4 設計要點 無線傳感器網絡應用的特殊性要求其節點體積越小越好，因此在元器件的選擇上當然是選擇同類型中體積最小的。但是節點體積越小，在設計電路板布線時可能會因為線路間距離太小而產生十擾，因此抗干擾設計是節點設計時的重點問題�？梢园央娐钒逶O計成4層板。頂層布信號線，主要是傳輸通過天線接收和發送的信號。該層空白區域用金屬層覆蓋，并通過幾個孔接地；第2層可以布數據線，將用于節點內部數據傳輸的線路都布置在這一層；第3層布供電線路；第4層作為接地層。各元件的接地引腳應使用單獨過孔，盡量靠近封裝引腳接地，去耦電容也應盡量靠近電源腳放置，并通過單獨過孔接地。同時，為了抗電磁干擾，最好把數字電源和模擬電源、數字地和模擬地隔離開來，一般可采用0 Ω電阻或磁珠來進行隔離。 4 節點的優勢 選擇CC2420作為無線收發芯片的一個顯然的優勢就是它工作于ISM免執照頻段。此外，由于芯片采用了休眠模式，使其具有超低能耗和以年計算的壽命。由于芯片的成本低，因此也就更符合傳感器網絡需要大量分布節點的特點。再者，芯片已經集成了CRC和數據完整性檢查等功能，這就相對減少了程序員編程的工作量，而且硬件處理速度一般都快于軟件處理速度，因此加快了通信的速度，減少了能量消耗。同時，芯片還采用了CSMA-CA技術來避免數據發送時的競爭和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。 5 結束語 近幾年，無線傳感器網絡越來越受到人們的重視，尤其隨著集成電路和無線通信技術的飛速發展，無線傳感器網絡節點越來越少，能耗越來越少，適用范圍越來越廣。Zigbee協議是由Zigbee聯盟開發的一種針對短距離、低速率、低功耗應用的無線通信協議，于2004年12月正式獲得批準。CC2420是Chipcon公司開發的全球首塊符合Zigbee標準的無線收發芯片�；贑C2420的無線傳感器網絡節點具有成本低、能耗小等特點，而這些特點正是傳感器網絡研究中最為重視的熱點，因此，該設計方案有廣闊的應用前景。 |
