基于單片機的Zigbee傳感器節點的硬件設計 - 全文

摘要：無線傳感網絡應用廣泛，它通過無數千個微小的節點之間互相通信實現大范圍監控的模式。采用IEEE802.15.4/Zigbee低成本、低功耗的技術，實現多個節點間無線通信。首先從節點機的硬件設計描述硬件各個部分的模塊設計，再分析節點機的軟件設計。闡述傳感器網絡節點的基本體系結構，重點介紹基于單片機ATMEGA128L和CC2420的Zigbee傳感器節點的硬件設計，并對硬件進行組網，并對其測試，測試結果表明該節點的體積小，集成度高，功耗低，通過多層次布線不僅減少了信號的干擾，而且加大了傳輸的距離。

　　引言

　　ZigBee聯盟定義了2種物理設備類型：一種是全功能設備FFD(fullfunctiondevice);另一種叫精簡功能設備RFD(reducedfunctiondevice)。網絡的構建需要有協調器參與工作(FFD)。整個網絡的形成過程：首先進行初始化，之后協調器開始參與后建立網絡，網絡建立以后再通過路由器(FFD)和終端設備(RFD)發現網絡，最后在建立起的網絡開始數據管理和傳送。

　　1 節點硬件設計

　　傳感器節點是由幾個不同的模塊組成，這些模塊處理著不同的功能，有傳感器模塊，傳感器模塊是傳感的硬件基礎，接著通過處理器模塊，這個模塊執行著重要的功能，數據處理后才能進行通信，還有無線通信模塊和能量供應模塊。傳感器節點主要的功能是：首先進行數據節點的數據采集，采集后的數據再進行處理，經過處理后的數據再通過節點轉發進行融合，同時還有其他節點轉發數據過來，這樣再對所有節點的數據進行管理和融合，數據處理后再進行存儲。所有傳感器的工作原理和結構大致相同，雖然每一種傳感器設計不同，但是基本的架構是相同的。傳感器節點的這種功能等同于兼并傳統網絡的路由功能，作為網絡終端傳送和接收數據，是構成5項網絡的基礎，網線網絡的基本元素是傳感器節點，節點是構成無線傳感網絡的基本平臺。

　　由于傳統的節點用來采集數據，不僅節點個數多，而且工作時間長、效率低等，此次設計做了些改進。此次采用的硬件設計綜合不同硬件的特點，處理器是采用AVR單片機ATmega128L處理器，它的特點是性能高、速度快、功耗較低，比普通的8位機相比，實用性高、硬件資源豐富。具有高性能、高速度、低功耗和硬件資源豐富的特點。

　　CPU主要具有幾種省電模式：IDLE、POWERSAVE、POWERDOWM、STANDYBY。在不同的省電模式下可以高效率工作。時鐘控制由8MHz的晶振提供，時鐘頻率可以通過軟件進行更改和選擇。其內部集成的程序存儲器大小為128KB,還有4KB靜態RAM,同時帶有4KB的E2PROM。

　　1.1通信模塊

　　CC2420是Chipcon公司開發的一款低功耗通信芯片。它的特點是延遲時間短，使得有更多的充足的睡眠時間，保持這個狀態不僅可以提高效率，節約了能耗，節點的使用壽命也比較可觀。CC2420與處理器的連接方便，通過4個管腳表示數據的狀態，分別為它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA。接口是采用SPI接口，它與CC2420交換數據、發送命令，復位時通過VREG_EN和RESET_N2個引腳實現使能和復位，產生和CC2420匹配的工作電壓，一般大小為1.8V,保證處理器進入正常工作狀態。由于和天線相接的引腳具有高阻抗特點，引腳為RF_P和RF_N。高阻抗匹配需要高阻抗天線，一般要求匹配的負載阻抗為115+j×180。

　　1.2存儲器部分

　　此次設計采用串行接口的Flash存儲芯片AT45DB041,它的存儲空間為4Mbit,可以方便地和串口相接。由于1個網絡傳感節點具備路由器和主機2種功能，處理器ATmega128L的片內存儲單元不能滿足要求，所以必須進行相應的擴展。每個節點必須有獨立的序列號，此次設計選擇DS2410Z序列號存儲器。它有64位ROM,內含是48位唯一的序列碼、8位CRC校驗碼和8位家族碼。數據采用1-Wire協議，無需外部供電，僅通過1個信號引線和1個地回路串行傳輸。路由功能采用串行接口的Flash存儲芯片AT45DB041,它擁有4Mbit的存儲空間，可方便地連接在ATmega128L的串口上。

　　1.3其他模塊

　　設計采用光敏傳感器，電源模塊由2節1.5V干電池供電。傳感器模塊的選擇相對比較靈活，可以根據實際情況選擇不同的傳感器。節點設計處理器處于省電模式，射頻模塊無任務時處于睡眠模式，以盡量減少節點的耗電。

　　1.4設計要點

　　為了減少外圍信號的干擾，必須把信號線、地線分開，分成幾個層次，并且是采用獨立的模塊設計，考慮到設計的幾點體積更精簡，更需要減小信號的干擾，可以用多層板，在高電頻的工作狀態，在該層沒有用做布線的面積均需用銅填充并接到地。

　　2 節點機的軟件設計

　　本文采用的開發軟件是WinAVR20050214版本的集成開發環境和AVRStudio4下載程序。軟件模塊主要包括：CC2420驅動程序、網絡路由設計等。

　　2.1協調器的軟件設計

　　協調器的軟件流程圖如圖1所示。系統剛開始初始化，硬件協議初始化后開始建立網絡，判斷節點是否接入網絡，接入網絡成功后運行協議任務，接收節點數據并發送到PC上。

　　建立過程中若超過次數則接收失敗，繼續下一次接收。

　　圖1 協調器的軟件流程

　　2.2成員節點的軟件設計

　　成員節點主要是采集傳感器數據和接受來自協調器的控制數據。當沒有數據收發時進入休眠狀態，節點功耗降到最低，成員節點的軟件設計流程圖如圖2所示。系統初始化后進行硬件和協議初始化，加載成功后進行協議任務，判斷任務后測量傳感器數據并發到協調器，進入休眠狀態后再執行下一個任務，若超過規定次數，網絡建立失敗。

　　圖2 成員節點的軟件流程

　　2.3物理層和MAC層的設計

　　CC2420芯片提供了物理層的數據服務和管理服務，MAC層點到點通信的服務接口通過程序控制CC2420寄存器完成傳感器數據的收發。IEEE802.15.4定義的MAC幀格式：MAC層頭幀;MAC凈載荷;MAC層幀尾。其中，MHR有固定的順序，并不是所有的幀都包含地址域。

　　2.4網絡層的設計

　　可以根據實際情況選擇AODV路由或者樹形路由。

　　ZigBee的網絡層支持多種網絡拓撲結構，針對結點數量的限制選擇星形網絡。在星型網絡中，節點被配置成1個全功能節點和1個或多個簡化功能節點所有的RFD都只能和FFD通信。節點的網絡層協議采用樹形路由算法與AODV路由算法相結合的路由算法，其中樹形路由算法指的是在做路由選擇策略時利用樹形結構址;AODV算法則是對AdHoc按需距離矢量路由算法的改進。本文設計節點組網測試選擇了星形網絡，一個是協調器，另外兩個是光傳感節點，從可視化后臺軟件SNAMP可以看到節點組成的網絡拓撲圖和接收來的數據包，如圖3所示。