基于ZigBee无线传感器网络构建

同晓荣

基于ZigBee无线传感器网络构建

同晓荣

介绍ZigBee技术，阐述了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络构建方案。完成了基于ZigBee的无线传感器网络的硬件部分和软件部分设计，其中包括主芯片CC2430、外围设备、射频模块、电源模块、传感器模块和接口电路等，通过实验模拟了所设计的无线传感器网络的可行性和可靠性。

无线传感器网络；ZigBee；构建；CC2430

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,简称WSN）是当前国际上备受关注、涉及多个学科、知识高度集中的前沿热点和研究领域,它综合了传感器、微处理器、网络通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境信息的实时监测、感知、采集和处理，并以自组织多跳的无线通信方式将数据信息传送到用户终端[1]，从而实现了科学世界与人类生活的完美贯通。

无线传感器网络在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域都有着极其广泛的用途，作为极具发展潜力的技术，其发展和应用将会给人类的生产和生活带来巨大的影响。而低功耗、低成本、应用简单方便的ZigBee技术的诞生为无线传感器网络的发展和开拓起到了巨大的推动和促进作用。

1 ZigBee技术概述

ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的，是一种通过简捷方式实现“无线”沟通的方式。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术[1]，也包含了这种寓意。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为 IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用。Zigbee 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式，ZigBee成为部署无线传感器网络的新技术。

2 基于ZigBee技术的无线传感器网络硬件设计

2.1 传感器节点设计方案

传感器节点[2]是无线传感器网络的基本功能单元，传感器节点由传感器模块、无线通信模块(包括处理器)和电源模块组成。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和其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量。传感器节点总体设计如图1所示：

图1 传感器节点设计框图

2.2 主控模块的选择

选用理想的ZigBee实现方案可以降低开发难度，缩短开发周期，减少成本。选用芯片时，应充分考虑芯片的集成度、封装、管脚数目、外围电路、发射功率和扩展性等因素。根据上述要求综合比较后，本文采用TI公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案，它成本低，体积小，外围设备丰富且电路简单、扩展性强、而且能够胜任WSN节点的功能和作用[3]。

CC2430 整合了工业界领先的 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051 MCU的卓越性能，还包括了8KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他的强大特性。CC2430芯片上系统（SOC）是高度集成的解决方案[4-5]，仅需很少的外围电路，且选用的原件成本低，可支持快速、廉价的ZigBee节点的构建。CC2430保持了CC2420所包括的卓越射频性能，包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。所集成的MCU为强大的8位、单周期8051微控制核心（其典型性能可达标准8051性能的8倍）。另外，CC2430还包括了许多强大的外设资源，比如DMA (Direct Memory Access,直接存储器访问)、定时/计数器、看门狗定时器（watchdog timer）、AES-128协处理器，8-14位 ADC、USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器）、32KHz晶振的睡眠模式定时器、上电复位电路（power on reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21个可编程I/O引脚。

2.3 传感器节点功能模块选择

传感器节点的功能模块包括射频通信模块、电源模块、传感器模块和通信接口模块。

2.3.1 射频通信模块

CC2430高频无线模块是CC2430F-128的片上系统，具备了高速、超低功耗的8051内核和128kb/s的高速无线通信接口等它采用直扩序列调制(DSSS)频谱传输，可自动跳频、防冲突、防碰撞，从而提高了传输可靠性。它在待机状态下的工作电流仅为0.2μA，从而实现了更低的功耗。

32KHz时钟驱动睡眠定时器和看门狗定时器，并当计算睡眠时期的时间时，作为MAC定时器的闸门。应用RF收发器时，必须选择32 MHz晶振，确保其稳定。因此在外围电路中设计了32 MHz和32 KHz两个晶振电路，32KHz晶振设计成运行在32.768 KHz，需要时间精度时，为系统提供一个稳定的时钟信号。

CC2430射频模块天线的选择直接影响到它的RF能力大小。常见的天线有PCB天线（PCB antenna），贴片天线（chip antenna）和带连接器的鞭状天线（whip antenna）。为了保证节点有足够的发射能力，我们最看重性能，所以这里我们选用鞭状天线。但是如果简单的近距离发射，传感器网络中的精简功能节点也可选贴片天线，它的尺寸小，价格便宜。

2.3.2 电源模块

由于CC2430的电源要求为2.0-3.6V，和传感器节点使用相同电压。为了使传感器节点获得稳定电源，传感器节点使用直流供电和电池供电。直流供电优先启用，当直流电掉电时，电池开始供电。直流电源使用交流220V变到直流5V的电源模块，电池供电使用3节5号干电池。为了将5V和4.5V电源变到3.3V电源，使用电平转换芯片TPS7333Q实现。

2.3.3 接口和传感器模块

接口模块用于射频芯片CC2430与计算机间的通信。一般来说，计算机与微控制器之间常用的串行通信协议有RS232和RS485。RS232比RS485要简单、灵活，而且大多数普通计算机和单片机使用常用的 RS232串行通信。本研究中使用RS232与PC机通信。

2.3.4 模数转换器（ADC）

CC243O的ADC支持14位的模/数转换，这与一般的单片机的8位ADC不同，这个ADC包括一个参考电压发生器、8个独立可配置通道、电压发生器和通过DMA模式把转换结果写入内存控制器。

ADC可完成顺序模/数转换并把结果送至内存（使用DMA模式），而不需要CPU的干涉。ADC寄存器包括ADCL（ADC数据低位）、ADCH（ADC数据高位）、ADCCCONI、（ADC控制寄存器1）、ADCCCONZ（ADC控制寄存器2）、ADCCCON3（ADC控制寄存器。

3 ZigBee技术的无线传感器网络软件设计

3.1 传感器节点软件设计方案

软件设计主要包括串口通信模块和射频通信模块[6]，其中射频通信模块包括射频模块初始化、发射与接收。主要步骤如下：

（1）初始化，主要是串口UART的初始化。串口UART的初始化函数为voidHalUARTInit(),该函数没有任何参数和返回值。

（2）扫描信道，使用 void MAC_MlmeScanReq（macMlScanReq_t*pData)函数完成，因为节点工作在2.4G的频段上，共扫描16条信道。pData为指向参数结构体的指针。

（3）执行绑定，以建立逻辑链路。使用函数ZDP_EnddeviceBindReq()通过该绑定请求函数，完成绑定的功能。

（4）建立逻辑链路之后，如果有数据传输的请求，就执行相应的程序。数据的处理包括数据的发射和接收，数据的传送方式与网络拓扑结构有关。在星型网络中，当一个节点要发送数据时，就发送数据发射请求命令，在接收到一个确认帧后，开始发送数据。接收数据过程中，要判断数据是否溢出。

3.2 ZigBee协议栈构架

为了适应ZigBee产品开发的需求，2007年德州仪器（TI）宣布推出业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）的免费下载版本[7-9]，用户可进入TI官方网站下载。Z-Stack达到ZigBee测试机构德国莱茵集团评定的ZigBee联盟参考平台（golden unit）水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。Z-Stack符合ZigBee2006规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2420收发器的新平台以及TI MSP430超低功耗MCU。

除了全面符合ZigBee 2006规范以外，Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，可通过ZigBee网状网络（mesh network）无线下载节点更新。Z-Stack还支持具备定位感知（location awareness）特性的CC2431。上述特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变行为的新型ZigBee应用。

3.3 网络通信过程模拟

无线测试是点对点的无线通信，它提供发送模式、接收模式、设定频道、设定本机地址和设定目的地址模式。通过实验模拟完成相应模式通信。

4 总结

ZigBee技术的诞生为无线传感器网络的发展和开拓起到了巨大的推动和促进作用，本文对基于ZigBee的无线传感器网络硬件和软件进行了设计，本设计还存在许多不足和不理想之处，有待进一步改善和完善。

[1] 王汝传,孙力娟.无线传感器网络技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社,2011：1-33.

[2] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社,2005：4-5.

[3] 余成波,李洪兵,陶红艳.无线传感器网络实用教程[M].北京：清华大学出版社,2012：4-5.

[4] 史作锋.ZigBee技术在无线传感器网络中的研究和应用[D].武汉：武汉科技大学,2009.

[5] 张晨.ZigBee无线组网技术的研究与实现[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学,2012.

[6] 林子敬.基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与实现[D].合肥：中国科学技术大学,2009.

[7] 黄双华,赵志宏,郭志,等.ZigBee无线传感器网络路由研究与实现[J]．电子测量技术，2007,30(02)：59-61．

[8] 王六祥.基于ZigBee的WSN实验平台设计与实现及路由协议研究[D].南京：东南大学,2014.

[9] 卢杉.基于ZigBee的无线传感器网络协议栈的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学,2011.

图4 房间选择界面

在图4中，当要了解某个房间信息，只需在对应图标上点击鼠标，便会弹出房间信息的对话框，确定要租住该房间，单击后便可以点击申请住房按钮。

申请住房是公租房管理系统最重要的功能，在其中租住者要选择自己需要的房间、申请租住的日期、租住的年限，租住的类型、租住者所在的部门、租住者的姓名、是否属于双职工、是否夫妻异地带小孩等情况，房间楼号、房间编号以及房间面积已经从房间信息表中读取，此处不能做选择和更改，信息选择完成后，点击申请租住，租住房屋便可成功，同时该功能会同时向房屋租住情况表和房屋租住历史表中填充相关数据，供后续查询和统计费用使用，操作界面如图5所示：

图5 申请租住房屋界面

6 总结

利用C#语言、.NET FrameWork框架，结合MySQL数据库实现了C/S结构的高校公租房管理系统，介绍了系统的设计思路、关键技术、功能结构、数据访问技术以及关键界面，系统充分考虑实际业务需要，简化使用者的操作复杂度，提高了房产管理的效率，规范了房产管理的流程。系统实际部署使用后，强化了房产管理的科学化、信息化水平，促进了房产资源的及时流通，减轻了房产管理部门工作人员的劳动强度，同时也方便了学校决策层对房产资源的使用情况、空余情况等进行及时了解，从而做出科学合理的房产资源分配、管理策略。该系统也为类似信息系统的设计开发提供了一个参考和借鉴。

参考文献

[1] 陈亚静,程耀东,杨磊. 高校房产信息管理系统研究与应用[J]. 测绘与空间地理信息, 2011, 34(6)： 50-53.

[2] 周晓军,许太金,钟足锋. 基于Ajax的高校房产管理信息系统设计与实现[J]. 湛江师范学院学报, 2009, 30(3)： 100-103.

[3] 王刚. 关于房产管理信息系统开发的几个问题[J].黑龙江科技信息, 2013, 3： 124.

[4] 梁伟,王映辉. 基于自动绘制平面图的房产管理信息系统的设计与实现[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2008, 36(4)： 93-97.

[5] 窦昱,李海波,纽志勇. 高校房产管理信息系统总体设计[J]. 东北农业大学学报, 2005, 36(5)： 145-148.

[6] 孙美卫. 基于C#应用的ADO.NET数据库访问技术[J]. 吉林工程技术师范学院学报, 2014, 30(4)： 85-87.

（收稿日期：2016.03.12）

Construction of Wireless Sensor Network Communication Based on Zigbee

Tong Xiaorong
(School of Network Security and Informatization, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

This paper introduced ZigBee technology, and studied, researched and designed WSN. The paper carried on hardware and software design of WSN based on ZigBee, including the main chip of CC2430, peripheral equipment, RF module, power module, sensor module and interface circuit and so on. The paper demonstrated the feasibility and reliability of the system through experiments.

Wireless sensor network； ZigBee； Construction； CC2430

TP391

A

1007-757X(2016)11-0033-03

2016.01.05）

渭南市科研发展计划项目（2015KYJ-2-6）；渭南师范学院理工类科研项目(16YKS010）；渭南师范学院教育教学改革研究项目(JG201526）

同晓荣（1972-），男，陕西白水人，渭南师范学院，网络安全与信息化学院，副教授，研究方向：嵌入式系统、信号处理和计算机应用技术研究，渭南 714099