摘要：集成了感測技術、計算機技術、通信技術的無線感測網路成為無線通信領域研究的熱點，低速率、低功耗的ZigBee技術的出現為其發展提供了契機。介紹了ZigBee網路的結構，分析了2.4 GHz的射頻收發晶元MC13193的特點和性能，並應用MC13193及相關微控制器、感測器件設計了ZigBee無線感測網路。
1 引言
感測器技術、微機電系統、現代網路和無線通信等技術的進步，推動了無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN) 的產生和發展。無線感測網路是集信息採集、信息傳輸、信息處理於一體的綜合智能信息系統，具有廣闊的應用前景，正成為目前一個熱點研究領域。美國商
業周刊和MIT技術評論分別將其列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。
IEEE 802.15.4標準是針對無線個人區域網路(Low-rate Wireless Personal Area Network，LRWPAN)制定的標準，旨在為低功耗的設備提供有效覆蓋範圍在10 m左右的低速無線連接，無線感測網路是其主要市場對象。ZigBee協議以802.15.4標準的物理層和MAC(Medium Access Control)層為基礎，增加了邏輯網路、安全性和應用軟體，可以實現大區域的網路覆蓋和網路擴展。ZigBee技術主要應用於工業自動化、農業自動化、家庭智能控制、醫療設備控制、消費類電子產品等領域。
MC13193是Freescale公司推出的短距離、低功耗、工作在2.4 GHz的射頻收發晶元，他包含了IEEE802.15.4協議的PHY和MAC層，自帶ZigBee協議堆棧，為開發無線感測網路提供了方便。
2 ZigBee網路結構
2.1 ZigBee網路的拓撲結構
ZigBee網路一般有星型、對等型和混合型3種拓撲結構，其中對等型網路又可以分為簇樹型網路和點對點型網路。在星型網中，一個功能強大的主節點作為網路協調者，位於網路的中心，其他的節點分佈在其覆蓋範圍內。對等網是由功能相似的節點連接在一起形成的，星型網和對等網相結合則形成了混合網，各個子網內部以星型連接，其主節點又以對等的方式連接在一起。
2.2 ZigBee網路的設備
ZigBee網路定義了兩種物理設備，全功能設備(Full Function Device，FFD)和簡化功能設備(Reduced-Function Device，RFD)。全功能設備支持各種拓撲結構，具有IEEE 802.15.4規定的所有功能及此標準所規定的所有特性，具有足夠的存儲容量和計算能力來在網路中作為網路協調器工作，當然也能作為端點設備。簡化功能設備功能受限，僅支持星型拓撲結構，作為端點設備與網路協調器對話，不能作為網路協調器。
3 MC13193特點及其應用
3.1 MC13193性能特點
MC13193包含低噪放大器，10 mW 的功率放大器，壓控振蕩器，片上電源供給調節單元，全擴頻編解碼單元，以及用來轉換和控制數據的接收和發射的串列外圍介面(SPI)和中斷請求輸出。採用O-QPSK的調製方式，最大傳輸速率為250 kb／s。配合合適的微處理器使用，MC13193提供了低成本高效率的短距離數據鏈路及網路解決方案。
MC13193的主要特點有：
3.2 MC13193的數據傳遞方式和分組結構
MC13193有兩種數據傳遞方式：
數據分組模式 數據在片上RAM 中緩存，以分組的形式發送與接收；
數據流模式 數據以字為單位進行處理，然後發射和接收。
圖1所示是MC13193的數據分組結構，支持多達125 B的數據組，MC13193在數據組前添加了4 B的引導序列(Preamble)，1 B的幀開始定界符(SFD)，以及一個幀長度指示符(FLI)，並計算出2 B的幀校驗序列(FCS)添加在數據組之後。
3.3 數據的接收與發送流程
3.3.1 數據接收
射頻輸入通過兩級的下變頻處理轉化為中頻同相正交(In-phase and Quadrature，I&Q)信號，然後基於一個特殊時間問隔上合成的基帶能量進行空閑通道評估，並由數字終端執行片上差分檢測，再由相關器分離出直接序列擴頻(DSSS)偏置四相相移鍵控(O-QPSK)信號，最後判決出符號和信息分組，檢測數據。引導序列、SFD 以及FLI用來檢測儲存在RAM 里的數據組和FCS，通過接收的數據計算出兩比特的FCS並與數據組後面的FCS進行比較，產生CRC 校驗結果，判決數據傳輸正確與否。MC13193工作在數據分組模式時，數據作為整個分組進行處理，並在整個分組接收完畢后通過中斷告知MCU；工作在數據流模式時，以字為單位接收數據並通過中斷告知MCU。
3.3.2 數據發送
工作在數據分組模式時，晶元首先將儲存在RAM 中的待發送數據取出，然後將其轉化成802.15.4的物理層規定的分組格式，並經過擴頻、上變頻處理將其調製到發送頻率，調製后的待發送數據分組被裝入發送緩衝器中，接著晶元接收MCU命令發送數據分組，並在整個分組完全發送成功時以中斷形式通知MCU。
工作在數據流模式時，晶元先通過SPI介面將發送的數據時鐘定時，然後進行擴頻、上變頻處理，接著以字為單位發送調製后的數據，每發送完一個字晶元通過中斷通知MCU可以發送下一數據，這樣直到整個數據發送完為止。
3.4 MC13193與MCU 的通信
MCU與MC13193的介面由SPI介面以及中斷請求線實現，MCU控制MC13193檢測狀態及數據的讀寫，MC13193是SPI介面的從設備。MCU和晶元在SPI時鐘中一個8 b的脈衝周期完成一次數據處理(圖2)。
MC13193的SPI介面包括4條I／0線：晶元使能(CE)是一個可選邏輯控制信號，低電平有效，他由MCU 發送到晶元，通知通道已經激活，晶元可以向MCU發送數據。SPI時鐘輸入(SPICI K)是由MCU 驅動，主從設備均在歸零的SPICLK的下降沿接收數據，在時鐘的上升沿發送數
據。主進從出(MISO)是一根由晶元驅動並由MCU接收的數據線。主出從進(MOSI)是一根由MCU 驅動並由晶元接收的數據線。
SPI介面以主從設備的方式工作。在SPI系統中，主設備的8位的數據寄存器，與從設備的8位數據寄存器連在一起組成了一個分佈的16位寄存器。當數據傳送操作執行時，16位的寄存器通過SPICLK時鐘串列移動8 b位置，數據高效地在主設備和從設備之問交換，寫進主設備數據寄存器的數據發送到從設備，寫進從設備數據寄存器的數據發送到主設備。
4 ZigBee無線感測網路設計
4.1 ZigBee無線感測網路的結構組成
ZigBee無線感測網路是基於ZigBee協議的無線感測網路，他是ZigBee協議與感測技術的結合。將ZigBee運用到無線感測網路中主要是基於ZigBee在低功耗、低成本方面的優勢。通常，符合下列條件之一的應用都可以考慮採用ZigBee：設備間距較小；設備成本很低，傳輸的數據
量很小；設備體積很小，不容許放置較大的充電電池或電源模塊；只能使用一次性電池，沒有充足的電力支持；無法頻繁更換電池或反覆充電；需要覆蓋的範圍較大，網路內需要容納的設備較多，網路主要用於監測或控制。在無線感測網路中，一般感測器節點體積較小，成本較低，並且經常分佈在人跡罕至或者環境惡劣的地方，不可能附帶體積較大的供電模塊或者頻繁更換電池，並且節點的功率、計算能力和數據存儲能力都有限，這種情況下ZigBee就有了用武之地。可以說ZigBee的出現將把無線感測網路帶入了一個全新的領域。
基於ZigBee協議的ZigBee無線感測器網路主要包括：信息處理中心、協調節點和感測節點(圖3)，其中主要是網路中協調節點及感測節點的設計。網路採用星型拓撲結構，網路中有少量的協調節點，每個協調節點的周圍又有若干個感測節點，一個協調節點以及他周圍的感測節
點組成微微網。協調節點是功能強大的全功能設備(FFD)，感測節點則是精簡功能設備(RFD)。感測節點只能與協調節點通信，不能與其他感測節點通信。
4.2 網路節點設計
節點是組成無線感測器網路的基本單位，是構成無線感測器網路的基礎平台。節點採集信息、融合併傳送數據，節點中的電源模塊負責節點的驅動。節點的設計在不同應用中各不相同，但其基本原則是採用盡量靈敏的感測器，盡量低功耗的器件、盡量節省的信號處理和盡量持久使用的電源。節點中的感測、數據處理、通信及電源各模塊技術的進步對節點技術的發展都有著深刻的影響。
4.2.1 感測節點的設計
ZigBee無線感測網路的感測節點的主要功能是檢測環境並控制感測單元採集周圍的環境數據，然後發送給上一級的協調節點，由於其不需要進行複雜的數據處理，因此配置不需要太高，內存也不需要太大。在感測節點的設計中主要考慮功耗、數據安全以及數據發送的碰撞問題。
在降低功耗方面，感測節點具有能量檢測和鏈路質量指示，根據這些檢測結果，設備可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量。在安全方面，基於ZigBee技術，採用了密鑰長度為128 b的加密演算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理，保證了非法侵入，維護網路數據安全。在減少數據發送的碰撞方面，採用睡眠喚醒機制。在外界環境不發生變化的時候，感測節點處於睡眠狀態，在環境發生變化時，通過檢測電路檢測到變化，觸發感測節點中MCU 的I／O 中斷激活節點，通過感測單元採集外部環境數據，送給協調節點做進一步的處理。在一個時間段上90 以上的節點處於睡眠狀態，這樣既降低了功耗，又減少了感測節點發送數據給協調節點時發生碰撞的概率。
感測節點的硬體結構由數據採集、數據處理、數據傳輸及電源4部分組成(圖4)。數據採集部分主要負責信息的採集並將溫度、濕度等物理信號轉變為數字信號，包括溫度、濕度等感測器件和A／D轉換；數據處理部分完成對採集到的信號進行所需的處理，採用了微控制器MC9S08GT60，8位的MCU，內帶64 k的FLASH 和4 k的RAM；數據傳輸部分負責發送數據，即通信的物理實現，採用射頻收發晶元MC13193；電源為其他3個部分提供能量。
4.2.2 協調節點的設計
ZigBee無線感測網路中的協調節點接收感測節點發送的環境數據，並將其進行融合處理，然後傳遞給信息處理中心，並且接收信息處理中心的控制信令發送給感測節點，實現信息處理中心對感測節點的間接、實時地監控和數據採集。協調節點由數據傳輸數據處理和兩部分組成，數據傳輸部分同樣採用射頻收發晶元MC13193，由於協調節點對MCU的處理能力和存儲能力都比終端節點要求高，數據處理部分採用了Freescale的16位的MCUMC9S12DT256B，內帶256 k的FLASH，12 k的RAM 以及4 k的EPROM。
5 結語
ZigBee無線感測器網路的實現基於低速率、低功耗的的ZigBee技術和無線感測技術，具有很大的應用價值。ZigBee無線感測器網路核心器件使用Freescale公司的射頻收發晶元MC13193和MC9SO8GT系列的MCU。由於終端節點在環境沒變化時處於睡眠狀態，因此網路的功耗
較低，採用電池供電的節點可以保持正常工作。網路時延很短，只有15～30 ms，因此節點傳輸數據發生碰撞的概率非常小，網路的吞吐量較高；採用AES-128加密演算法，保證了網路的安全性。
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