基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網絡的設計

2017-09-28 17:49:59 來源：C114中國通信網熱度:

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成多跳、自組織網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

目前能夠用于短距離無線傳感網絡的通信技術主要有5種：Wi-Fi技術、超寬帶通信（Ultra Wideband,UWB）技術、近場通信（Near Field Communication,NFC）技術、藍牙以及ZigBee技術。其中，ZigBee是基于IEEE802.15.4的一種新興短距離無線通信技術，其特點是低功耗、低速率、低復雜度、低成本等。這些特點決定了ZigBee技術非常適合應用于無線傳感網絡中，因此ZigBee技術被認為是最有可能應用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網絡、家庭監(jiān)控、安全監(jiān)控等領域的無線技術。在ZigBee協(xié)議的制定中，IEEE802.15.4無線標準定義了物理層（Physical Layer,PHY）和介質訪問控制層（Medium Access Control Sub-Layer,MAC），而ZigBee協(xié)議棧的網絡層和應用層是由ZigBee聯(lián)盟制定的。

支持ZigBee協(xié)議的無線通信芯片主要有TI公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale半導體公司推出的MC13191、MC13192及MC13 193等芯片。CC2430是世界上首個單芯片ZigBee解決方案，除了保持CC2420所包括的優(yōu)良射頻性能之外，其內部還集成了一個增強型8051內核，這使得CC2430成為市面上最具有競爭力的ZigBee無線收發(fā)芯片。

文中設計了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網絡，該系統(tǒng)包括一個協(xié)調器和四個終端傳感節(jié)點。以采集溫度信息為例，實現(xiàn)了無線通信功能。協(xié)調器節(jié)點通過RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行處理及顯示。

1 無線傳感網絡的結構

1.1 網絡體系結構

無線傳感網路中的基本單元是傳感器節(jié)點，根據(jù)其在網絡中的所承擔的任務不同，傳感器節(jié)點可以分為3類：協(xié)調器、路由器和傳感器節(jié)點。在網絡中，協(xié)調器負責建立網絡，允許路由器和傳感器節(jié)點與其綁定，并接收路由器和傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，以及傳送給PC機進行處理、存儲等；傳感器節(jié)點負責感知被測對象的物理信息，并將其無線發(fā)射給協(xié)調器；但如果傳感器節(jié)點距離協(xié)調器太遠，則需要路由器在中間進行中繼。傳感網絡的拓撲結構一般有3種：星型網絡、樹型網絡和網狀網絡。

星型拓撲結構具有組網簡單、低成本和低功耗等優(yōu)點，但網絡覆蓋范圍有限；樹型網絡可以擴大網絡覆蓋范圍，傳感器節(jié)點傳感器所采集的數(shù)據(jù)可以通過路由器中繼的方式到達協(xié)調器；網狀網絡具有高可靠性和覆蓋范圍大等優(yōu)點，但功耗大、管理復雜。在實際應用，要根據(jù)實際需求來選擇網絡拓撲結構。

1.2 傳感器節(jié)點的結構

無線傳感網絡中的節(jié)點按照其所具備的功能來分，可分為全功能設備（Full Funclion Device,FFD）和精簡功能設備（Reduced Function Device,RFD）。網絡協(xié)調器和路由器必須由FFD來承擔，傳感器節(jié)點一般由RFD來實現(xiàn)。但不管是FFD還是RFD,其硬件的基本結構基本上相同，一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4個基本部分，如圖1所示。傳感器模塊用于感知被測對象的物理信息，并將其轉換為電信號；微處理器模塊負責處理及存儲數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責發(fā)射與接收無線電信息；能量供應模塊為整個系統(tǒng)提供能量。此外，傳感器節(jié)點還可能包括一些輔助單位，如定位模塊、自供電模塊等。與傳感器節(jié)點和路由器相比，協(xié)調器一般需要和PC機相連，所以其帶有RS232接口或USB接口等。

圖1 傳感器節(jié)點的結構

2 系統(tǒng)軟件設計

TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧是基于優(yōu)先級的輪轉查詢式操作系統(tǒng)，它是由稱為層的模塊組成，每一層為其上一層提供特定的服務。Zig Bee協(xié)議棧為各個層均分配的不同的任務編號，每一個任務中又包含若干個事件。對于開發(fā)者來說，一般只需關注應用層函數(shù)的設計即可。當然，若果硬件電路不同，則其硬件抽象層函數(shù)也是不同的。文中所采用的硬件電路為無線龍公司生產的CC2430無線通信模塊，共包括4個傳感器節(jié)點和一個協(xié)調器。每個傳感器節(jié)點為一個CC2430基本模塊和一個電池板；協(xié)調器模塊為一個CC2430基本模塊和一個擴展板，擴展板上帶有RS232串口，可用于和PC機進行通信。

2.1 協(xié)調器啟動及建立網絡

無線傳感網絡的建立是由網絡協(xié)調器來完成的。協(xié)調器節(jié)點啟動之后，首先完成系統(tǒng)的初始化，然后進入操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)的初始化中，包括初始化系統(tǒng)時鐘、檢測芯片電壓、中斷系統(tǒng)、flash存儲器等，其中比較重要的是初始化端口描述符。兩個物理無線收發(fā)模塊的通信是通過兩個設備中編號相同的端點來實現(xiàn)的，這要求協(xié)調器所初始化的端點屬性要與在傳感器節(jié)點中所初始化的端點屬性相匹配。

進入操作系統(tǒng)以后，首先進入的是應用層任務函數(shù)，因為在應用中設置了進入事件。通過按鍵S1來設置其為協(xié)調器，并開始建立網絡。將設備設置為協(xié)調器之后，通過zb_StartRequest（）函數(shù)調用ZDO層初始化設備函數(shù)ZDOInitDevice（）。在該函數(shù)中，通過ZDO層中的網絡初始化函數(shù)ZDApp_NetworhInit（）設置網絡初始化事件，送給啟動設備函數(shù)ZDO_StartDevice（）處理。在該函數(shù)中，調用了網絡層的網絡形成請求函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest（）來形成網絡。由于ZigBee協(xié)議棧是半開源的，因此看不到該函數(shù)的內部程序。當ZDO層收到網絡形成確認信息之后，則設置網絡啟動事件，將設備的狀態(tài)改為啟動狀態(tài)。協(xié)調器建立網絡的過程如圖2所示。

圖2 協(xié)調器啟動及建立網絡

2.2 傳感器節(jié)點啟動及加入網絡

對于傳感器節(jié)點來說，啟動后首先要完成的也是設備的初始化。在本實驗中，傳感器節(jié)點向協(xié)調器發(fā)送本身的溫度信息，所以在傳感器節(jié)點中所初始化的端口的屬性應為輸出，而協(xié)調器中所定義的端口的屬性應為輸入。當初始化之后，進入操作系統(tǒng)執(zhí)行應用層任務中的進入事件。這里直接將設備設置為傳感器節(jié)點。

傳感器節(jié)點啟動后，開始初始化網絡。在ZDO層調用網絡層的網絡發(fā)現(xiàn)函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest（），嘗試發(fā)現(xiàn)是否已經存在的網絡可以加入。當發(fā)現(xiàn)協(xié)調器所建立的網絡時，傳感器節(jié)點的ZDO層會收到網絡發(fā)現(xiàn)確認信息。這時，傳感器節(jié)點通過調用網絡層的網絡加入請求函數(shù)NLME_JionRequest（），向協(xié)調器發(fā)送加入網絡請求。如果協(xié)調器允許其他節(jié)點加入網絡，則該傳感器節(jié)點會接收到協(xié)調器發(fā)送來的加入確認信息。這里的網絡發(fā)現(xiàn)函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest（）和網絡加入請求函數(shù)NLME_JionRequest（），與協(xié)調器中所調用的網絡形成函數(shù)NLME NetworkFormationReouest（）一樣，均為ZigBee協(xié)議棧所封裝起來的函數(shù)，只能由開發(fā)人員編程時調用，不能看到其內部程序。傳感器節(jié)點加入網絡的流程如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點啟動及加入網絡

2.3 傳感器節(jié)點與協(xié)調器的綁定

為了讓傳感器節(jié)點與協(xié)調器能相互傳送數(shù)據(jù)，兩者之間必須建立綁定關系。綁定是兩個（或多個）應用設備之間信息傳輸?shù)目刂茩C制，在ZigBee2006及以后的協(xié)議棧中，所有的設備都必須執(zhí)行綁定機制。

協(xié)調器通過執(zhí)行zb_AllowBind（）函數(shù)，開啟允許綁定功能。在該函數(shù)中，可以設置允許綁定的時間，即在某一段時間內，協(xié)調器接收其他設備發(fā)來的綁定請求，超過這段時間，則關閉該功能。傳感器節(jié)點通過執(zhí)行綁定設備函數(shù)zb_BindDevice（），向協(xié)調器發(fā)送綁定請求。協(xié)調器接收到傳感器節(jié)點發(fā)送來的綁定請求，并進行解析，綁定請求信息中包含了傳感器節(jié)點中的端點信息，然后協(xié)調器在自身所注冊過的端點中尋找與之相匹配的端點。找到之后，則處理綁定請求信息，并向傳感器節(jié)點發(fā)送綁定響應信息。傳感器節(jié)點接收到綁定響應信息之后，通過調用應用支持子層的綁定請求函數(shù)APSME_BindRequest（）來建立綁定表，并將向自己的應用層發(fā)送綁定確認信息。傳感器節(jié)點與協(xié)調器建立綁定的流程如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點與協(xié)調器綁定

2.4 傳感器節(jié)點向協(xié)調器傳送數(shù)據(jù)

當傳感器節(jié)點向自己的應用層發(fā)送綁定確認信息之后，就調用發(fā)送報告函數(shù)myApp_StartReporting（）向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)信息。CC2430內部有一溫度傳感器，可測量的溫度范圍是-20~80℃，雖然所采集的結果與實際溫度不太相符合（比實際值偏高），但對于構建無線傳感器網絡，并無太大影響。所以在本實驗中，傳感器節(jié)點所發(fā)送的就是其自身內部的溫度信息。由傳感器所得來的溫度信息為模擬信號，需要經過A/D轉換為數(shù)字信號。CC2430內部集成了多路A/D轉換，這里不再詳述。

當協(xié)調器接收到溫度信息之后，對其進行解析，得到溫度信息。通過調用串口通信程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行顯示。串口通信程序的設計，這里也不再詳述。

3 實驗

當建立綁定關系之后，傳感器節(jié)點就可以向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)。將協(xié)調器程序下載到帶有擴展板的CC2430模塊中，然后將傳感器節(jié)點程序分別下載到4個帶有電池板的CC2430模塊中。協(xié)調器由3節(jié)5號電池供電，并通過RS232串口與PC機相連。在PC機上打開串口調試工具，并設置好端口號、傳輸速率及校驗位等。端口號的設置可通過PC機查看，而傳輸速率及校驗位等與串口通信程序的設計有關，這里選擇波特率為384 000,暫時沒有設置校驗位。每個傳感器節(jié)點均有2節(jié)7號電池供電。

首先打開帶有擴展板的CC2430電源，按S1鍵將其設置成為協(xié)調器。然后再次按下S1鍵，即協(xié)調器開啟允許綁定功能。此時依次打開4個傳感器節(jié)點，它們會相繼加入網絡。在實驗中，通過LED的亮滅來觀察網絡啟動及節(jié)點加入的過程。

網絡加入完畢之后，在PC機的串口調試界面中，能看到協(xié)調器所接收到得溫度信息，并且協(xié)調器為4個傳感器節(jié)點分別分配了16位的網絡地址，如圖5所示。