基于单片机的Zigbee传感器节点硬件设计

基于单片机的Zigbee传感器节点硬件设计摘要：无线传感网络应用广泛，它通过无数千个微小的节点之间互相通信实现大范围监控的模式。采用IEEE802.15.4/Zigbee低成本、低功耗的技术，实现多个节点间无线通信。首先从节点机的硬件设计描述硬件各个部分的模块设计，再分析节点机的软件设计。阐述传感器网络节点的基本体系结构，重点介绍基于单片机ATMEGA128L和CC2420的Zigbee传感器节点的硬件设计，并对硬件进行组网，并对其测试，测试结果表明该节点的体积小，集成度高，功耗低，通过多层次布线不仅减少了信号的干扰，而且加大了传输的距离。引言ZigBee联盟定义了2种物理设备类型：一种是全功能设备FFD(fullfunctiondevice)；另一种叫精简功能设备RFD(reducedfunctiondevice)。网络的构建需要有协调器参与工作(FFD)。整个网络的形成过程：首先进行初始化，之后协调器开始参与后建立网络，网络建立以后再通过路由器(FFD)和终端设备(RFD)发现网络，最后在建立起的网络开始数据管理和传送。1节点硬件设计传感器节点是由几个不同的模块组成，这些模块处理着不同的功能，有传感器模块，传感器模块是传感的硬件基础，接着通过处理器模块，这个模块执行着重要的功能，数据处理后才能进行通信，还有无线通信模块和能量供应模块。传感器节点主要的功能是：首先进行数据节点的数据采集，采集后的数据再进行处理，经过处理后的数据再通过节点转发进行融合，同时还有其他节点转发数据过来，这样再对所有节点的数据进行管理和融合，数据处理后再进行存储。所有传感器的工作原理和结构大致相同，虽然每一种传感器设计不同，但是基本的架构是相同的。传感器节点的这种功能等同于兼并传统网络的路由功能，作为网络终端传送和接收数据，是构成5项网络的基础，网线网络的基本元素是传感器节点，节点是构成无线传感网络的基本平台。由于传统的节点用来采集数据，不仅节点个数多，而且工作时间长、效率低等，此次设计做了些改进。此次采用的硬件设计综合不同硬件的特点，处理器是采用AVR单片机ATmega128L处理器，它的特点是性能高、速度快、功耗较低，比普通的8位机相比，实用性高、硬件资源丰富。具有高性能、高速度、低功耗和硬件资源丰富的特点。CPU主要具有几种省电模式：IDLE、POWERSAVE、POWERDOWM、STANDYBY。在不同的省电模式下可以高效率工作。时钟控制由8MHz的晶振提供，时钟频率可以通过软件进行更改和选择。其内部集成的程序存储器大小为128KB，还有4KB静态RAM，同时带有4KB的E2PROM。1.1通信模块CC2420是Chipcon公司开发的一款低功耗通信芯片。它的特点是延迟时间短，使得有更多的充足的睡眠时间，保持这个状态不仅可以提高效率，节约了能耗，节点的使用寿命也比较可观。CC2420与处理器的连接方便，通过4个管脚表示数据的状态，分别为它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA。接口是采用SPI接口，它与CC2420交换数据、发送命令，复位时通过VREG_EN和RESET_N2个引脚实现使能和复位，产生和CC2420匹配的工作电压，一般大小为1.8V，保证处理器进入正常工作状态。由于和天线相接的引脚具有高阻抗特点，引脚为RF_P和RF_N。高阻抗匹配需要高阻抗天线，一般要求匹配的负载阻抗为115+j×180。1.2存储器部分此次设计采用串行接口的Flash存储芯片AT45DB041，它的存储空间为4Mbit，可以方便地和串口相接。由于1个网络传感节点具备路由器和主机2种功能，处理器ATmega128L的片内存储单元不能满足要求，所以必须进行相应的扩展。每个节点必须有独立的序列号，此次设计选择DS2410Z序列号存储器。它有64位ROM，内含是48位唯一的序列码、8位CRC校验码和8位家族码。数据采用1-Wire协议，无需外部供电，仅通过1个信号引线和1个地回路串行传输。路由功能采用串行接口的Flash存储芯片AT45DB041，它拥有4Mbit的存储空间，可方便地连接在ATmega128L的串口上。1.3其他模块设计采用光敏传感器，电源模块由2节1.5V干电池供电。传感器模块的选择相对比较灵活，可以根据实际情况选择不同的传感器。节点设计处理器处于省电模式，射频模块无任务时处于睡眠模式，以尽量减少节点的耗电。1.4设计要点为了减少外围信号的干扰，必须把信号线、地线分开，分成几个层次，并且是采用独立的模块设计，考虑到设计的几点体积更精简，更需要减小信号的干扰，可以用多层板，在高电频的工作状态，在该层没有用做布线的面积均需用铜填充并接到地。2节点机的软件设计本文采用的开发软件是WinAVR20050214版本的集成开发环境和AVRStudio4下载程序。软件模块主要包括：CC2420驱动程序、网络路由设计等。2.1协调器的软件设计协调器的软件流程图。系统刚开始初始化，硬件协议初始化后开始建立网络，判断节点是否接入网络，接入网络成功后运行协议任务，接收节点数据并发送到PC上。建立过程中若超过次数则接收失败，继续下一次接收。图1协调器的软件流程2.2成员节点的软件设计成员节点主要是采集传感器数据和接受来自协调器的控制数据。当没有数据收发时进入休眠状态，节点功耗降到最低，成员节点的软件设计流程图。系统初始化后进行硬件和协议初始化，加载成功后进行协议任务，判断任务后测量传感器数据并发到协调器，进入休眠状态后再执行下一个任务，若超过规定次数，网络建立失败。图2成员节点的软件流程2.3物理层和MAC层的设计CC2420芯片提供了物理层的数据服务和管理服务，MAC层点到点通信的服务接口通过程序控制CC2420寄存器完成传感器数据的收发。IEEE802.15.4定义的MAC帧格式：MAC层头帧；MAC净载荷；MAC层帧尾。其中，MHR有固定的顺序，并不是所有的帧都包含地址域。2.4网络层的设计可以根据实际情况选择AODV路由或者树形路由。ZigBee的网络层支持多种网络拓扑结构，针对结点数量的限制选择星形网络。在星型网络中，节点被配置成1个全功能节点和1个或多个简化功能节点所有的RFD都只能和FFD通信。节点的网络层协议采用树形路由算法与AODV路由算法相结合的路由算法，其中树形路由算法指的是在做路由选择策略时利用树形结构址；AODV算法则是对AdHoc按需距离矢量路由算法的改进。本文设计节点组网测试选择了星形网络，一个是协调器，另外两个是光传感节点，从可视化后台软件SNAMP可以看到节点组成的网络拓扑图和接收来的数据包，。图3节点硬件实物图与组网测试3结论通过此次设计，实验证明了节点的体积小、集成度高、功耗低，通过多层次布线不仅减少了信号的干扰，而且加大了传输的距离。软件设计可以通过节点编程实现协调器、路由器和网络终端的传输。硬件中的模块设计可以根据具体的需要更改不同的传感模块，具有更高的灵活性。