使用无线局域网(ZigBee)的测量参数传输方法

杨勇侠，韩 鹂

(1.中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009;2.贵州工业职业技术学院，贵阳 550008)

0 引言

机载设备在实验、安装、使用维护过程中，经常需要在外场进行各种参数的试验现场测试、记录、观测对比等工作。通常，外场条件简陋，测量参数种类多，性质各异，且无固定的方案。一般情况下，根据每次具体要求选择测量仪表设备，现场进行信号连接与匹配，或多或少对仪器仪表、设备做必要的改装，使整个测试过程费时、费力、数据重复性差，不便管理。因此，如何建立一套通用的多参数数据采集、传输系统，通过RS232接口或USB接口连接，传感节点设置灵活，不对现场做过多改动，且采用无线传输方式，能实现多参数测量监控的机敏传感网络［1］就显得越发重要。

1 网络选择

试验测试现场各设备间信号传输通常采用有线传输方式，需要临时铺设大量的线缆和各种接插件。为了实现参数检测网络的构建，并且尽量少地改动原仪器仪表，减少施工量，甚至不改动现场，应优先考虑使用无线局域网络通信。在诸如 ZigBee［2］、802.11b、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA 等众多无线网络通信技术中，ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准，最适合于短距离工业数据采集现场应用。

ZigBee主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间。通常，符合下列条件的应用都可以考虑采用ZigBee技术:

1)设备距离短;

2)设备成本低、数据传输量小;

3)设备体积小，没有充足的电力支持;

4)需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多;

5)网络主要用于监测或控制。因此，基于ZigBee技术的机敏传感网络结构特别适合于本案例的应用，ZigBee协议栈［3］结构如图1所示。

图1 ZigBee协议栈结构Fig.1 Stack structure of ZigBee protocol

制定网络协议首先要确定的是网络的拓扑结构。本文所涉及的无线传感器网络协议采用簇－树(Cluster-tree)拓扑［4－5］。簇 － 树拓扑是由网络协调器(Coordinator)展开生成树状的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，并且不需要存储路由表，具有路由算法复杂度低、无初始延时等优点。

2 网络方案设计

2.1 ZigBee无线传感器网络拓扑结构与路由

在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，并以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到自组织路由节点，最终借助长距离或临时建立的自组织链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。本设计采用簇－树网络拓扑结构。

如图2所示，在簇－树结构网络中邻近区域内的节点构成了一个簇，每个簇有且仅有一个簇头(CH0，CH1，…)，相邻的簇头又循环构成了另一个簇，这样依次反复，构成了一个树形结构的传感网络。在此结构中，树根节点(DD/CH0)作为整个网络的协调器可以和PC机相连，接收传感器所采集的数据，并对数据进行显示和处理。簇间的通信由路由实现，边界节点作为路由器起到簇与簇间的中继作用。

图2 簇－树网络和边界节点Fig.2 A cluster-tree network and the border nodes

2.2 网络的自组织

机敏传感网络最初是由全功能设备(FFD)的节点发起并建立的。网络建立后，此发起设备就作为整个网络协调器，该协调器可以通过串行接口和PC相连接，处理接收到的各种数据，也可以和其他异种网络进行数据交换。节点自发建网过程如下［6］:FFD节点首先进行信道能量检测(ED)，选取检测到的能量峰值最小的那个信道作为要建立的机敏传感网络的数据传输信道;然后在此信道上发送跨网信标(Beacon)请求帧，用以获取节点操作范围内其他无线传感器网络信息参数，在接收到Beacon帧后，选择未被使用的网络标号，最后根据已确定的网络信道号、网络标号及其他相关参数来设定硬件中相关寄存器的值，至此机敏传感网络中网络协调器就形成了。图3所示为设备自发建网示意图。

图3 设备自发建网示意图Fig.3 Diagram of equipment in building its own network

当一个节点要申请加入已建好的机敏传感网络时，此节点首先预设好网络标号和使用的信道，然后发送网内Beacon请求广播帧，在接收到多个带有链路质量信号参数的Beacon帧后，选取链路质量较好、剩余能量较多的节点进行连接，向相应的协调器发送入网请求命令帧，协调器允许后会分配网内短地址给该节点;每个节点都有一张邻居表，并且对其动态维护;在该邻居表中含有一个父节点地址(除了根节点)和多个子节点地址(除了叶结点)。依次重复这样的过程，所有的节点就可以自组成一个簇－树状的机敏传感网络。图4所示为节点入网握手示意图。

图4 节点入网握手示意图Fig.4 Node accessing handshake diagram

同理，一个节点要离开网络的话，只要向其父节点发送请求命令帧，父节点在接收到请求后会做出相应的操作并发送响应帧给予回应。图5所示为节点出网握手示意图。

图5 节点出网握手示意图Fig.5 Node leaving handshake diagram

对于ZigBee传感网络，网络中的全功能设备、路由、节点均可由专用芯片开发生成。目前，已有一片式解决方案，即片上集成了从应用层接口(API)到物理层(PHY)，包括MAC层在内的完整的协议栈结构，应用者只需通过软件设计和少量的外部元件连接，就可方便地开发出相应的全功能设备、路由设备、节点设备。

3 基于IEEE/ZigBee传感节点的设计

机敏传感网络本质上也是一种无线传感器网络(WSN)［7－8］，是由大量分布式智能传感器节点组成的面向任务的无线个人局域网(WPAN)。下面，以测试现场某设备的温度和环境温湿度测量为例，阐述Zig-Bee网络传感节点的设计过程。

3.1 传感器节点的硬件参考模型

本文设计的传感器节点实现机理是以IEEE/Zig-Bee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包括IEEE/ZigBee无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。

3.2 传感器节点的各模块器件选择

随着IEEE/ZigBee标准的发布，世界各大无线芯片厂商陆续推出了支持该标准的无线收发芯片。这些芯片大都集成了该标准的物理层功能，可作为传感器节点的通信模块。采用微控制器作为处理模块实现MAC层功能。

3.2.1 无线收发芯片选择

无线收发芯片的选择主要考虑以下因素。

1)频段。IEEE802.14.5定义了两种工作频率。一般来讲，高频率能提供高的数据传输速率，但对天线要求较高，高速率意味着需要耗费更多的能量。各国对无线电产品都有严格的管理和监督，根据国内无线频谱管理相关规定，只能选择工作在2.4 GHz频段的器件。

2)调制方式。无线传感网络规模大、密度高和带宽窄的特点使得其存在严重的内部通信干扰。因此ZigBee需要实现简单、抗干扰能力强、功耗低且成本低廉的调制和扩频机制。目前广泛应用的包括FSK和OQPSK两种，其中FSK具有设备简单、调制和解调方便等优点，并且具有较好的抗多径时延性能。

3)睡眠电流与唤醒时间。传感器通常处于睡眠状态，睡眠唤醒时间以及睡眠电流都是必须考虑的指标。

综合考虑以上因素，适合在国内使用的射频芯片是工作在 2.4 GHz频段的 CC2431［9］。该模块是将射频电路和微控制器集成在一起的一体化解决方案。

3.2.2 传感器和电源

温度传感器为TC77(也可使用被测设备内部的温度传感器)，它是SPI串行接口的数字硅温度传感器，特别适合于低功耗、低成本、低尺寸应用。温度数据由内部温度敏感元件转换得到，随时都可以转换成13位的二进制补码数字。与CPU之间的通信通过SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一个±12位的ADC，温度分辨率为 0.062℃，TC77可以精确到±1 ℃，工作电流仅250 μA。

现场湿温度检测采用了Sensirion公司的数字式温湿度传感器DHT90或普通数字式传感器。DHT90集成了温度/湿度传感器、信号放大调理器、A/D转换器和总线接口，能够进行全校准数字输出，可以直接提供温度在－40～120℃范围内、分辨率为14位、湿度在0～100%RH范围内且分辨率为12位的数字输出。

其他待检参数传感器根据实际的需要进行选择。考虑因素主要是低功耗、小于3.6 V的工作电压、数字式信号输出。如果选用模拟式传感器，可利用CC2431本身集成的模/数转换器实现信号的转换。

电源模块可采用输出电压3.6 V可充电锂离子钮扣电池LIR2032供电。该类电池自放电率小于10%/月，但额定容量较小，限制了节点的生存期，若以两节碱性5号电池供电，则可维持更长的工作时间，在以网络形式工作状态下通过合理地设置节点发射极的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点电池的使用寿命。针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，也可以采用现场AC/DC变换器，电源转换可由跳线来进行选择。

3.2.3 天线的阻抗匹配

CC2431的射频信号采用差分方式，其最佳差分负载阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。本设计采用50 Ω单极子天线，由于CC2431的射频端口是差分形式具有两个端口，而天线是单端口，因此需要一个巴伦电路来完成两端口到单端口间的转换。巴伦电路由成本低廉的电感和电容构成，包括电感L321、L331、L341和电容C341和两段长的传输线。

3.3 节点参考设计原理图

3.3.1 基于TC77的节点硬件

采用CC2431片上系统作为节点控制芯片，用TC77［10］数字温度集成传感器测量温度。CC2431沿用了以往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128 kB可编程闪存和8 kB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)、32.768 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOn Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2431芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2431一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2431特别适合那些要求低功耗的应用。CC2431可以实现IEEE802.15.4的物理层协议。终端节点程序流程如图6所示。

图6 测温节点流程图Fig.6 Flow chart of temperature measurement node

3.3.2 基于TC77的测温软件

温度传感器为TC77，它是SPI串行接口的数字硅温度传感器，特别适合于低功耗、低成本、低尺寸应用。温度数据由内部温度敏感元件转换得到，随时都可以转换成13位的二进制补码数字。与CPU之间的通信通过SPI和Microwire可兼容接口完成［11］。TC77有一个±12位的ADC，温度分辨率为0.062℃，TC77可以精确到±1℃，工作电流仅250 μA。CPU可以通过程序清单3.1所示的程序来读取TC77。

程序清单3.1如下所示。

4 应用测试

采用新兴ZigBee组网技术的多参数测量系统，实现了对测试现场(以及人员无法接近的其他危险、恶劣环境)的温湿度等多参数进行实时在线检测，经过与监控系统连接，在中心监控PC极上就可以监视采集数据，真正做到了远距离遥测，当被测点参数超过预先设定的阀值时，就发出报警信号及时提醒有关人员采取措施。

系统特点(以TC77测温为例):1)实时性，能实时在线监测;2)低功耗，采用纽扣电池节点可连续运行两年以上;3)准确性，测量精度可达±1℃;4)灵活性，用户可根据自己的需求，灵活、方便地设置参数;5)安全性，不论是产品还是工具及其维护，都具有系统的安全性和可靠性。

终端节点技术参数(以TC77测温为例):1)频率范围为2.4 G～2.4835 GHz(免申请);2)最大输出功率≤1 mW;3)最远传输距离≤100 m(无阻挡);4)发射电流为17 mA;5)睡眠电流为0.01 mA;6)测量时间间隔为1 s～1 h可设;7)电源电压为3 V(纽扣电池);8)电池寿命为2～5年;9)测量温度为－40～+125℃;10)测量精度为±1℃;11)尺寸为38 mm×36 mm×16 mm;12)重量＜40 g。

5 结束语

初步实验结果表明，由PC机向网络协调器发送自组网指令后，其他无线传感器节点都能正常入网，入网时延小于200 ms，节点间有效间距大于70 m，传输速率大于100 kb/s，满足压缩图像数据传输的要求，各节点之间能够正常发送和接收数据。同时，网络协调器可以把自身采集的数据或是由其他传感器传送过来的数据通过USB接口交由PC机处理。

由于相比使用其他无线设备来构建传感网所花费的成本要低，自组网能力强，相信利用此种技术来构建无线传感网的前景将非常乐观。

［1］HENDERSON T C，VENKATARAMAN R，CHOIKIM G.Reaction-diffusion patternsin smartsensornetworks［C］//IEEE International Conference，Salt Lake City，USA，2004:654-658.

［2］Catch the buzz on ZigBee［DB/OL］.ZigBee Alliance.2007-02-11.http://www.ZigBee.Org/en/resources.

［3］Microchip Technology Inc.Microchip stack for the ZigBee protocol［DB/OL］.2007-03-14.http://www.Microchip.Com.

［4］高锦超.基于节能策略的无线传感器网络MAC协议［J］.电光与控制，2007，14(1):136-139.

［5］IEEE-TG15.4，Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)［Z］.IEEE standard for Information Technology，2003.

［6］ZigBee specification ［DB/OL］.ZigBee Alliance.http://www.zigbee.or.2005.

［7］MAUVE M，WIDMER J.A survey on position-based routing in mobile ad hoc networks［C］//IEEE Networks，2001:30-39.

［8］LI Yanqiu，YU Hongyun，SU Bo.Hybrid micropower source for wireless sensor network［J］.Sensors Journal，IEEE，2008，8(6):678-681.

［9］System-on-chip for 2.4 GHz ZigBee(TM)/IEEE 802.15.4 with location engine［DB/OL］.Texas Instruments.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2431.pdf，July 2007.

［10］Interfacing the TC77 thermal sensor to a PICmicroR○microcontroller［DB/OL］.Microchip Technology Inc.http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00940a.pdf，2004.

［11］TC77 data sheet［DB/OL］.Microchip Technology Inc.http://www.microcip.com/downloads/en/device Doc/20092a.pdf，2002.