基于CC2430的无线传感器网络的实现
无线传感器网络作为一项新兴的技术，越来越受到国内外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理、空间探索、智能家居、工业控制和其他商业应用领域展现出了广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织网络系统，他是当前在国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿研究领域，综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息(如光强、温度、湿度、噪音、震动和有害气体浓度等物理现象)，并以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的3个要素。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。无线传感器网络作为一项新兴的技术，越来越受到国内外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理、空间探索、智能家居、工业控制和其他商业应用领域展现出了广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。
1 无线传感器网络的特点
无线自组网络(mobile Ad-Hoc network)是一种由几十到上百个节点组成的，采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术，传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
无线传感器网络虽然与无线自组网络有着相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，一个网络有上千甚至上万个节点;节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;在通常情况下，大多数网络节点是固定不动的。另外，网络节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高的服务质量和高效的带宽利用，其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是节点能量的高效使用。这也是传感器网络和传统无线网络最重要的区别之一。
综合而言，无线传感器网络具有如下特点：
(1)低速率，传感器网络通常只需定期传输诸如温度、湿度之类的传感器数据，数据量小，采集数据频率低;
(2)近距离，两个传感器节点之间的距离通常在几十米到几百米之间;
(3)低功耗，传感器网络节点体积微小，通常携带能量有限的电池，而且分布区域广，环境复杂，有些区域甚至人员无法到达，通过更换电池的方式来补充能量是不现实的，因此要求节点具有极低的功耗;
(4)网络容量大，要求网络能够容纳上千甚至上万的节点;
(5)动态组网，传感器网络地处复杂的地理环境，环境干扰和能量的耗尽，容易造成节点故障，因此要求传感器网络具有自组织、自愈特性，即动态组网功能;
(6)低成本，传感器网络节点多，一旦布置到监测区域后，就不再回收，因此要求成本低廉。
2 无线传感器网络的实现
针对无线传感器网络的特点，世界各大芯片厂商提供了各种硬件及软件解决方案。传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础平台。目前，国内外出现了多种传感器网络节点的设计实现方法，他们在原理上是相似的，只是采用不同的微处理器或者不同的通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙技术以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新兴的具有自组网功能的Ad-Hoc网络，是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术。ZigBee的技术特性决定他是无线传感器网络的最好解决方案。
ZigBee联盟成立于2001年8月，目前其成员已经超过200余家。2004年12月，ZigBee联盟制定了ZigBeeSpecification V1.0，并于2006年11月推出ZigBee-ProSpecification增强版。ZigBee联盟日前批准在最初的规范中增加功能更强和更具灵活性的ZigBee PRO框架堆栈，其增强功能特别体现在易用性和对大型网络的支持方面。“ZigBee 2007"版本，将整合2006年发布的标准功能组和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO将最大程度地增强ZigBee的所有功能，并提高易用性和对大型网络的支持。另外，目前ZigBee联盟在最初规范的基础上增加了网络可伸缩性，分解片段功能，即分解较长消息以及实现与其他协议和系统交互的能力，频率捷变功能和设备自动寻址管理能力等。ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下，正日趋增强和完善。世界各大知名芯片提供商纷纷推出ZigBee芯片和各自的ZigBee协议栈。如TI公司的针对ZigBee技术的CC2420，CC2430，CC2431芯片系列及Figure 8Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈，FreeScale公司的MC13192，MC13213，MC1322X芯片系列及BeeStack协议栈。另外，Ember，Jennic和Microchip等公司也纷纷推出了各自的ZigBee解决方案。
ZigBee技术采用IEEE 802.15.4-2003标准制定的物理层和媒体接入控制层作为ZigBee的物理层和媒体接入控制层，ZigBee联盟在此基础上规定了网络层和应用层框架;ZigBee技术具备强大的设备互联功能，他支持星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇状结构(Tree)三种主要的自组织无线网络类型，特别是网状结构，他具有很强的网络健壮性和系统可靠性。根据IEEE 802.15.4规范，ZigBee采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectr-um)技术，可以工作在3个频段，分别是欧洲的868 MHz频段、美国的915 MHz频段和全球范围的2.4 GHz频段，媒体接入控制层采用载波检测多址接入冲突避免机制作为信道访问方式和完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。网络层规定加入和离开网络的机制，路径发现及维护功能，实现对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储功能，即ZigBee的自组网功能。在应用层中加入传感器数据采集及管理功能，就可以搭建一个完整的无线传感器网络。本文搭建的无线传感器网络的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈来实现的。
CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4 GHz系统单芯片(System On Chip，SOC)，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9μA，集成了定时器等大量的片上资源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是业内最具盛名的协议栈之一。
虽然ZigBee技术是实现无线传感器网络的理想解决方案，但在实际的工程应用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范围内使用的频率是2.4 GHz，属于微波范畴，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍物，再加上ZigBee节点的射频发射功率非常低，这就导致，ZigBee无线信号的穿透障碍物能力非常有限。虽然可以通过增加布置ZigBee路由节点来绕开障碍物，但这将会增加网络的容量以及网络的成本，而且有的场合是不允许再布置一个网络节点的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技术和433 MHz的射频技术相结合的无线传感器网络实现方案。
文中的433 MHz射频部分选用TI公司的CC1100射频芯片。该芯片体积小，功耗低，数据速率支持1.2～500 kb/s的可编程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四个频段，在所有频段提供-30～10 dBm的输出功率。文中CC1100工作在433 MHz的频率上，采用2-FSK调制方式，数据速率为2.4 kb/s，信道间隔为200 kHz、CC1100与单片机CC2430之间采用SPI接口连接。
整个无线传感器网络的系统结构如图1所示。椭圆部分内是基于TI公司的最新ZigBee解决方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack实现的ZigBee MESH网。ZigBee网络中包含协调器、路由器和终端节点3种设备，协调器又通过433 MHz射频技术组成一个星型网络，ZigBee网络中的节点可以将采集到的各种数据通过ZigBee网络传输到各自的协调器，协调器将数据汇总后，再通过433 MHz射频技术传送到星型网汇集器，即整个系统的管理节点，然后通过GSM/GPRS技术，将采集数据最终传送到后台管理数据库，后台管理终端也可以下发系统的配置参数，如终端节点的睡眠时间以及数据采集周期等。
系统中各种节点的硬件结构如图2所示。图2(a)是433 MHz星型网汇集节点硬件，通过SPI接口，控制CC1100，同时提供GSM/GPRS以及以太网接口用来连接到后台管理数据库。图2(b)是ZigBee网络协调器节点的硬件框图，该节点以CC2430为主控制器，既是ZigBee网络的协调器，同时也是433 MHz射频星型网的子节点。图2(b)、图2(c)分别是ZigBee网络的路由器和终端节点的硬件框图，其中终端节点采用电池供电。
在整个网络系统的设计中，降低功耗是考虑的重中之重。特别是ZigBee网络的终端节点，由于该节点往往分布在环境及其恶劣的区域内，有些区域甚至人员根本无法到达，或者不允许布置过多的电缆，如高压大电流的现场环境，因此一般采用电池供电，而且由于更换电池的不便性，这就要求节点具备非常低的功耗。文中的终端节点设计出于降低功耗的考虑，硬件方面是选择低功耗的芯片CC2430，印刷电路板布线也充分考虑了低功耗的要求;同时在软件协议中加入了休眠机制。
3 实验结果
系统各种节点的硬件采用模块化设计，ZigBee模块实物如图3中左边所示，CC1100模块如图3中右边所示。总体结构紧凑合理、体积小。在晴朗天气条件下的空旷地区，测得ZigBee节点之间的有效通信距离可达120 m，433 MHz射频模块的有效传输距离可达400 m;工作在室内条件下时，ZigBee无线信号可以穿透1堵混凝土墙，433 MHz射频信号可以穿透4堵混凝土墙，有效地克服2.4 GHz射频信号穿透性差的弱点。在ZigBee终端节点的电源电路中串联接人1 Ω电阻，用示波器测得终端节点工作过程中，电阻两端的电压波形如图4所示。
经换算，即得终端节点在整个工作过程中的功率消耗情况。当MCU处于工作状态，射频模块处于空闲状态时终端节点的工作电流为12～13 mA，在射频模块处于收发数据的瞬间，整体工作电流为38～40 mA，当MCU进入休眠模式后，整体工作电流在0.7～1.0μA之间，有效地保证了电池的使用寿命。用设计所得的各种节点组成如图1所示的测试网络。组网成功后，终端节点E1～E3读取传感器数据，发送给ZigBee网络的协调器，然后进入休眠模式，睡眠1 min后，重复上述过程。
协调器再通过433 MHz射频，把数据传送到汇集器，并最终到达管理数据库。把ZigBee终端节点移动到较远的地方，使之超出ZigBee网络覆盖范围，又重新回到网络覆盖范围后，仍能继续工作;关闭路由器R1，又重新开启后，终端节点E2，E3仍能通过R1将数据发送给协调器;关闭路由器R1，只要E2，E3在协调器C的视距范围内，E2，E3可以直接将数据发送给协调器。
以上试验结果有效地验证了ZigBee无线网络良好的自组织和自愈特性。该网络至2007年11月，在不更换终端节点电池的条件下，已连续稳定工作6个月。由于终端节点具有极低的功耗，预计可以连续工作更长的时间。
4 结 语
本文基于ZigBee无线网络通信技术和433 MHz射频通信技术实现了无线传感器网络。实验结果表明，终端节点具有极低的功耗，整体网络可以长时间连续稳定工作，并且具有良好的自组织、自愈功能，非常适合应用于工业控制、医疗、智能家居等领域。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织网络系统，他是当前在国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿研究领域，综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息(如光强、温度、湿度、噪音、震动和有害气体浓度等物理现象)，并以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的3个要素。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。无线传感器网络作为一项新兴的技术，越来越受到国内外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理、空间探索、智能家居、工业控制和其他商业应用领域展现出了广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。
1 无线传感器网络的特点
无线自组网络(mobile Ad-Hoc network)是一种由几十到上百个节点组成的，采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术，传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
无线传感器网络虽然与无线自组网络有着相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，一个网络有上千甚至上万个节点;节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;在通常情况下，大多数网络节点是固定不动的。另外，网络节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高的服务质量和高效的带宽利用，其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是节点能量的高效使用。这也是传感器网络和传统无线网络最重要的区别之一。
综合而言，无线传感器网络具有如下特点：
(1)低速率，传感器网络通常只需定期传输诸如温度、湿度之类的传感器数据，数据量小，采集数据频率低;
(2)近距离，两个传感器节点之间的距离通常在几十米到几百米之间;
(3)低功耗，传感器网络节点体积微小，通常携带能量有限的电池，而且分布区域广，环境复杂，有些区域甚至人员无法到达，通过更换电池的方式来补充能量是不现实的，因此要求节点具有极低的功耗;
(4)网络容量大，要求网络能够容纳上千甚至上万的节点;
(5)动态组网，传感器网络地处复杂的地理环境，环境干扰和能量的耗尽，容易造成节点故障，因此要求传感器网络具有自组织、自愈特性，即动态组网功能;
(6)低成本，传感器网络节点多，一旦布置到监测区域后，就不再回收，因此要求成本低廉。
2 无线传感器网络的实现
针对无线传感器网络的特点，世界各大芯片厂商提供了各种硬件及软件解决方案。传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础平台。目前，国内外出现了多种传感器网络节点的设计实现方法，他们在原理上是相似的，只是采用不同的微处理器或者不同的通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙技术以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新兴的具有自组网功能的Ad-Hoc网络，是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术。ZigBee的技术特性决定他是无线传感器网络的最好解决方案。
ZigBee联盟成立于2001年8月，目前其成员已经超过200余家。2004年12月，ZigBee联盟制定了ZigBeeSpecification V1.0，并于2006年11月推出ZigBee-ProSpecification增强版。ZigBee联盟日前批准在最初的规范中增加功能更强和更具灵活性的ZigBee PRO框架堆栈，其增强功能特别体现在易用性和对大型网络的支持方面。“ZigBee 2007"版本，将整合2006年发布的标准功能组和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO将最大程度地增强ZigBee的所有功能，并提高易用性和对大型网络的支持。另外，目前ZigBee联盟在最初规范的基础上增加了网络可伸缩性，分解片段功能，即分解较长消息以及实现与其他协议和系统交互的能力，频率捷变功能和设备自动寻址管理能力等。ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下，正日趋增强和完善。世界各大知名芯片提供商纷纷推出ZigBee芯片和各自的ZigBee协议栈。如TI公司的针对ZigBee技术的CC2420，CC2430，CC2431芯片系列及Figure 8Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈，FreeScale公司的MC13192，MC13213，MC1322X芯片系列及BeeStack协议栈。另外，Ember，Jennic和Microchip等公司也纷纷推出了各自的ZigBee解决方案。
ZigBee技术采用IEEE 802.15.4-2003标准制定的物理层和媒体接入控制层作为ZigBee的物理层和媒体接入控制层，ZigBee联盟在此基础上规定了网络层和应用层框架;ZigBee技术具备强大的设备互联功能，他支持星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇状结构(Tree)三种主要的自组织无线网络类型，特别是网状结构，他具有很强的网络健壮性和系统可靠性。根据IEEE 802.15.4规范，ZigBee采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectr-um)技术，可以工作在3个频段，分别是欧洲的868 MHz频段、美国的915 MHz频段和全球范围的2.4 GHz频段，媒体接入控制层采用载波检测多址接入冲突避免机制作为信道访问方式和完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。网络层规定加入和离开网络的机制，路径发现及维护功能，实现对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储功能，即ZigBee的自组网功能。在应用层中加入传感器数据采集及管理功能，就可以搭建一个完整的无线传感器网络。本文搭建的无线传感器网络的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈来实现的。
CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4 GHz系统单芯片(System On Chip，SOC)，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9μA，集成了定时器等大量的片上资源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是业内最具盛名的协议栈之一。
虽然ZigBee技术是实现无线传感器网络的理想解决方案，但在实际的工程应用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范围内使用的频率是2.4 GHz，属于微波范畴，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍物，再加上ZigBee节点的射频发射功率非常低，这就导致，ZigBee无线信号的穿透障碍物能力非常有限。虽然可以通过增加布置ZigBee路由节点来绕开障碍物，但这将会增加网络的容量以及网络的成本，而且有的场合是不允许再布置一个网络节点的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技术和433 MHz的射频技术相结合的无线传感器网络实现方案。
文中的433 MHz射频部分选用TI公司的CC1100射频芯片。该芯片体积小，功耗低，数据速率支持1.2～500 kb/s的可编程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四个频段，在所有频段提供-30～10 dBm的输出功率。文中CC1100工作在433 MHz的频率上，采用2-FSK调制方式，数据速率为2.4 kb/s，信道间隔为200 kHz、CC1100与单片机CC2430之间采用SPI接口连接。
整个无线传感器网络的系统结构如图1所示。椭圆部分内是基于TI公司的最新ZigBee解决方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack实现的ZigBee MESH网。ZigBee网络中包含协调器、路由器和终端节点3种设备，协调器又通过433 MHz射频技术组成一个星型网络，ZigBee网络中的节点可以将采集到的各种数据通过ZigBee网络传输到各自的协调器，协调器将数据汇总后，再通过433 MHz射频技术传送到星型网汇集器，即整个系统的管理节点，然后通过GSM/GPRS技术，将采集数据最终传送到后台管理数据库，后台管理终端也可以下发系统的配置参数，如终端节点的睡眠时间以及数据采集周期等。
系统中各种节点的硬件结构如图2所示。图2(a)是433 MHz星型网汇集节点硬件，通过SPI接口，控制CC1100，同时提供GSM/GPRS以及以太网接口用来连接到后台管理数据库。图2(b)是ZigBee网络协调器节点的硬件框图，该节点以CC2430为主控制器，既是ZigBee网络的协调器，同时也是433 MHz射频星型网的子节点。图2(b)、图2(c)分别是ZigBee网络的路由器和终端节点的硬件框图，其中终端节点采用电池供电。
在整个网络系统的设计中，降低功耗是考虑的重中之重。特别是ZigBee网络的终端节点，由于该节点往往分布在环境及其恶劣的区域内，有些区域甚至人员根本无法到达，或者不允许布置过多的电缆，如高压大电流的现场环境，因此一般采用电池供电，而且由于更换电池的不便性，这就要求节点具备非常低的功耗。文中的终端节点设计出于降低功耗的考虑，硬件方面是选择低功耗的芯片CC2430，印刷电路板布线也充分考虑了低功耗的要求;同时在软件协议中加入了休眠机制。
3 实验结果
系统各种节点的硬件采用模块化设计，ZigBee模块实物如图3中左边所示，CC1100模块如图3中右边所示。总体结构紧凑合理、体积小。在晴朗天气条件下的空旷地区，测得ZigBee节点之间的有效通信距离可达120 m，433 MHz射频模块的有效传输距离可达400 m;工作在室内条件下时，ZigBee无线信号可以穿透1堵混凝土墙，433 MHz射频信号可以穿透4堵混凝土墙，有效地克服2.4 GHz射频信号穿透性差的弱点。在ZigBee终端节点的电源电路中串联接人1 Ω电阻，用示波器测得终端节点工作过程中，电阻两端的电压波形如图4所示。
经换算，即得终端节点在整个工作过程中的功率消耗情况。当MCU处于工作状态，射频模块处于空闲状态时终端节点的工作电流为12～13 mA，在射频模块处于收发数据的瞬间，整体工作电流为38～40 mA，当MCU进入休眠模式后，整体工作电流在0.7～1.0μA之间，有效地保证了电池的使用寿命。用设计所得的各种节点组成如图1所示的测试网络。组网成功后，终端节点E1～E3读取传感器数据，发送给ZigBee网络的协调器，然后进入休眠模式，睡眠1 min后，重复上述过程。
协调器再通过433 MHz射频，把数据传送到汇集器，并最终到达管理数据库。把ZigBee终端节点移动到较远的地方，使之超出ZigBee网络覆盖范围，又重新回到网络覆盖范围后，仍能继续工作;关闭路由器R1，又重新开启后，终端节点E2，E3仍能通过R1将数据发送给协调器;关闭路由器R1，只要E2，E3在协调器C的视距范围内，E2，E3可以直接将数据发送给协调器。
以上试验结果有效地验证了ZigBee无线网络良好的自组织和自愈特性。该网络至2007年11月，在不更换终端节点电池的条件下，已连续稳定工作6个月。由于终端节点具有极低的功耗，预计可以连续工作更长的时间。
4 结 语
本文基于ZigBee无线网络通信技术和433 MHz射频通信技术实现了无线传感器网络。实验结果表明，终端节点具有极低的功耗，整体网络可以长时间连续稳定工作，并且具有良好的自组织、自愈功能，非常适合应用于工业控制、医疗、智能家居等领域。