| 無線感測器網路作為一種新興技術，已經成為國內外研究的熱點，其在軍事、環境、健康、家庭、商業、空間探索和救災等領域展現出廣闊的應用前景[1].國內外很多單位都開展了相關領域的研究，但大部分工作仍處在無線網路協議性能模擬和硬體節點小規模實驗設計階段。無線感測器網路並不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求極低的功率消耗，以使無線感測器網路中的設備可工作更長的時間，同時低成本也是無線感測器普及應用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無線感測器網路提供了互連互通的平台，目前基於該技術的無線感測器網路的研究和開發得到越來越多的關注。本文就是基於ZigBee技術，設計了通用無線感測器網路硬體平台，以期待能夠產業化，為我國的無線感測器事業做出更大的貢獻。
基於ZigBee的無線感測網路的主要優勢
ZigBee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳Z字形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小動物通過簡捷的方式實現"無線"的溝通，人們藉此稱呼一種專註於低功耗、低成本、低複雜度、低速率的近程無線網路通信技術，亦包含寓意。ZigBee技術並不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層採用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網路層、應用會聚層和高層應用規範由ZigBee聯盟進行了制定。ZigBee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面[2].
① 低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號乾電池可支持1個節點工作6~24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比較，藍牙只能工作數周、WiFi只可工作數小時。
③ 低速率。ZigBee工作在20~250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps（2.4 GHz）、40 kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。
⑤ 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms,節點連接進入網路只需30 ms,進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3~10 s、WiFi需要3 s.
⑥ 高容量。ZigBee可採用星狀、片狀和網狀網路結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網路節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。
⑦ 協議簡單、安全性高。ZigBee協議棧長度平均只有藍牙的1/4,這種簡化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。ZigBee技術提供了數據完整性檢查和鑒權功能，提供了三級安全模式，可靈活確定其安全屬性，網路安全能夠得到有效的保障。
⑧ 免執照頻段。採用直接序列擴頻在工業科學醫療（ISM）頻段-2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）。
無線感測器網路硬體設計
在無線感測器網路中，節點任意散落在被監測區域內。節點以自組織形式構成網路，通過多跳中繼方式將監測數據傳到Sink節點，最終藉助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程中心進行集中處理。圖1給出了一般形式的無線感測器網路體系結構[3].
針對環境及結構狀態監測，我們設計了一種通用無線感測器網路硬體平台，該硬體平台由若干感測器節點、具有無線接收功能的Sink節點及一台計算機構成。無線感測器節點分佈於需要監測的區域內，執行數據採集、處理和無線通信等工作，Sink節點接收各感測器的數據並以有線的方式將數據傳送給計算機，如圖2所示。
無線感測器節點的硬體設計
我們設計的節點實現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串列通信模塊，將採集到的信息數據以無線方式發送出去。該節點包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、感測器模塊及介面電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低感測器節點的成本，減小感測器節點的體積，我們採用Chipcon公司推出的高度整合的SoC晶元CC2430實現感測器節點的數據傳輸和處理功能。圖3是設計的無線感測器節點的結構框圖。下面將分別介紹無線感測器節點中的幾個主要功能模塊。
SoCоƬCC2430
CC2430晶元延用了以往CC2420晶元的架構，在單個晶元上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU,具有128 KB可編程快閃記憶體和8 KB的RAM,還包含模擬數字轉換器（ADC）、幾個定時器（Timer）、AES128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電複位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。CC2430晶元採用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA;在接收和發射模式下，電流損耗分別低於27 mA或25 mA.CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
感測器模塊
根據實際需要選擇不同的感測器對監測區域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測。可選用了光敏器件、數字格式感測器和駐極體話筒，對光強、溫度、振動和聲音等進行探測。
光敏電阻5516是基於半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長範圍的光照時，其阻值（亮電阻）急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓後進行模數變換即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。 |
