基于ZigBee无线传感网节点的设计与通信

刘　博

（河南牧业经济学院 信息与电子工程学院，河南　郑州　450044）

基于ZigBee无线传感网节点的设计与通信

刘博

（河南牧业经济学院 信息与电子工程学院，河南郑州450044）

文章介绍了基于IEEE 802.15.4的无线通信协议——ZigBee协议结构及其技术特点，提出了无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）通用节点的基本构架，设计了一种基于ZigBee无线传感网节点通信的软硬件平台，给出了系统的设计的方案，并从硬件和软件两方面解决了节点的功耗问题，实验结果证明该方法能够从一定程度上减小系统节点的功耗。

ZigBee协议；无线传感器网络；节点

1　无线传感网络概述

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

1.1无线传感网结构

无线传感器网络是由大量部署在作用区域内的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。系统通常由以下几部分组成：传感器节点、管理节点和汇聚节点，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，也是物联网的关键技术之一。大量传感器节点在监测区域部署大量随机的传感器节点，这些节点通过自组织的方式构成了无线传感网络。传感网络的节点间距离一般很短，采用多跳（Multi Hop）的无线通信方式进行通信，监测点的数据沿着网络中其他节点逐跳地进行数据的传输，传感网可以在独立的环境下运行，也可通过网关连接到因特网，用户可以通过它实现远程访问。

1.2节点结构

无线传感器网络节点主要是传感器节点，它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。

传感器模块：由传感器和A/D转换模块组成，负责区域内信息的采集和数据转换。

处理器模块：由嵌入式系统组成，包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器、嵌入式操作系统等，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：由网络、媒体接入控制（Media Access Control，MAC）和收发器等模块组成，负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。

能量供应模块：为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

1.3节点存在问题及对策

传感器节点在实现无线通信的时候，难免会遇到以下一些问题：本文设计了一种具有实用价值的通用节点软硬件平台，节点通信采用短距离无线技术即ZigBee（短距离低功耗的无线通信技术）技术，提出了无线传感器网络（WSN）通用节点的基本构架，设计了一种基于ZigBee无线传感网节点无线通信的软硬件平台，给出了系统的设计的方案，通过降低系统的工频、把模块空闲未用的引脚接地等方法很好地解决了节点的功耗问题。实验结果证明该方法能够很好地减少了系统节点的功耗。

2　系统节点设计与实现

2.1整体结构

无线传感器网络节点由4个部分组成，节点结构如图1所示。

图1　节点结构

2.2节点的硬件组成

系统的硬件主要是通信模块、传感器节点、处理器和电源几部分组成，所有模块选取低功耗电子器件，节点的硬件组成如图2所示。

图2　硬件组成

2.3软件设计

在系统进行软件调试的时候，采用串口通信模式，采用通串线（University Serial Bus，USB）接口与PC机通信，数据的接收和发送采用中断的方法来实现。数据的传送是：从节点可以向主节点发送中断请求。整个软件分为以下几个部分。

主程序：主要是初始化单片机串口和设置ZigBee模块的一些参数。

建立通信链路子程序：建立节点和处理器之间的无线通信。

数据处理子程序：处理节点收发采集的数据。

打包发送子程序：打包发送采集的数据。

中断接收子程序：主程序初始化后开中断，运行中循环等待下一个中断。

另外，传感器节点上电后，单片机开始初始化串口和ZigBee模块，系统建立通信链路后进入休眠模式。

3　系统测试与分析

该系统经实验测试，通过以下几种方法处理后，能够有效降低系统的功耗，几种方法的测试结果如下。

（1）降低系统的工作频率。试验测试如下：系统上电后，时钟为8MHz时，测得总消耗电流为71mA：将频率改为2MHz时系统正常工作，消耗电流则降低至60mA。

（2）在保证系统正常工作时将闲置的引脚接地。试验测试如下：系统上电（3.3V）后，工作频率一定，悬空的引脚时测得消耗总电流为69mA；当降低系统供电至2.7V后，在同样条件下，测得总电流消耗下降为51mA。

（3）利用处理器的在睡眠模式下和无线通信模块的工作模式的合理切换，有效地降低系统的功耗。在工作状态（接收模式）下3.3V供电，消耗电流为52mA；在发送模式下，3.3V供电，电流为67mA，2.7供电时电流为52mA。在节点没有数据采集和无线通信时使处理器进入“睡眠模式”状态，这时切断ZigBee模块的部分电源可以达到节能效果。实验测得在无线通信模块在空闲模式下3.3V供电时，总消耗电流为18mA。

通过以上测试结果表明，在系统设计过程中采取降低工作频率、在保证系统正常工作时将闲置的引脚接地、利用处理器的在睡眠模式下和无线通信模块的工作模式的合理切换，有效地降低系统的功耗。

［1］尹勇，龙毅宏.嵌入式无线传感器网络节点设计［J］.武汉理工大学学报，2006（3）：107-109.

［2］金海红.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计及其通信的研究［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［3］田会峰，袁明新.基于无线传感网的智能环境监控系统设计［J］.测控技术，2014（9）：36-39.

［4］居万春.基于ZigBee协议的无线传感网路及应用［J］.无线互联科技，2013（10）：68.

Design and communication based on ZigBee wireless sensor network node

Liu Bo
（Information and Electronic Engineering School of Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450044， China）

This paper introduces the characteristics of structure and technology of wireless communication protocol ——ZigBee protocol based on IEEE 802.15.4 protocol， and proposes the basic framework of the general node of wireless sensor networks（WSN）and designs a software and hardware platform based on ZigBee wireless sensor network node communication， then provides the system design scheme which resolved the power consumption of nodes from two aspects of hardware and software. This experimental results show that the method can reduce power consumption of node system to a certain extent.

ZigBee protocol； wireless sensor network； node

刘博（1986— ），男，河南南阳。