今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
關鍵詞：IEEE802.15.4; 無線傳感器網絡; MC13192
王東（1969—）
男，江蘇南京人，工學博士，主要研究方向為無線傳感器網絡、機器學習等。
1 前言
隨著微電子技術、傳感器技術的發展，無線傳感器節點的設計和制造得到了迅速的發展，現在很多公司在從事這方面的工作，它們設計的側重點各有不同，在硬件上有選用DSP芯片的，也有選用8位、16位、32位微處理器的；在無線協議中，有用IEEE802.11、IEEE802.1 5.4(ZigBee)、IEEE802.15.1(Buletooth)的；在軟件上有作操作系統（Tiny OS），也有注重硬件小型化方面研究的。
本文將針對無線傳感器網絡(WSNs)技術在實際應用中的特點,利用Freescale公司研發的MC13192無線通訊芯片，構建了一個基于IEEE802.15.4協議的無線傳感器網絡原型系統。文中首先討論IEEE802.15.4協議，然后研究如何用MC13192模塊來構建無線傳感器模塊，并對制作的模塊進行必要測試，實現了數據的采集和傳輸。最后將設計的無線傳感器模塊應用到“無線燃氣抄表系統”項目中。
2 IEEE802.15.4技術介紹
IEEE無線個人區域網(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎。IEEE 802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10～100m左右的低速連接，主要應用于工業控制、遠程監控和樓宇自動化領域，傳感器網絡是其主要市場對象。將傳感器與IEEE802.15.4設備組合，進行數據收集、處理和分析，就可以構成無線傳感器模塊。其應用實例包括惡劣環境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學物質的現場、監測以及維護正在運轉的機器等。在這些應用上，一個IEEE802.15.4網絡可以極大地降低新傳感器網絡的安裝成本，簡化對現有網絡的擴充。
2.1 IEEE802.15.4協議架構及其技術特點
IEEE802.15.4滿足國際標準組織(ISO)開放系統互連(OSI)參考模式。它定義了單一的介質訪問層（MAC）和多樣的物理層（PHY），表1中概括了IEEE802.15.4標準的主要技術特征。Zigbee聯盟制定了MAC層以上協議，其協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。
IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業務相關的會聚子層）協議承載IEEE802.2類型的LLC標準，同時允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4 的MAC層服務。
表1 IEEE802.15.4標準的主要技術特征
|
復雜程度 |
比現有標準低 |
通信時延 |
≥15ms |
|
目的 |
只支持數據通信 |
功耗 |
約45μA |
|
頻段、數據率及信道數 |
868MHz：20Kbps 1925MHz:40Kbps 102.4GHz:250Kbps 16 |
MAC的控制方式 |
星型網絡對等網絡 |
|
每個網絡支持節點數 |
65536 |
尋址方式 |
64bit IEEE地址8bit 網絡地址 |
|
連接層結構 |
開放式 |
溫度 |
40℃～85℃ |
|
傳輸范圍 |
室內：10m速率250Kbps；+0dBm TX室外：30m-75m速率40KB/s，300m速率20KB/s |
應用 |
傳感器、玩具、控制等領域 |
IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。
2.4GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術能夠提供250KB/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。
868/915MHz物理層使用簡單的DSSS方法，即二進制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz是歐洲的ISM頻段，傳輸速率為20KB/s；915MHz是美國的ISM頻段，傳輸速率為40KB/s。這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾，且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。
2.2 IEEE802.15.4技術的優勢及應用
IEEE802.15.4/ZigBee技術的主要優勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較：
IEEE802.15.4從一開始就被設計用來構建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數表等設備的無線網絡。這是由其主要技術優勢決定的：
（1）數據傳輸速率低：只有10KB/s到250KB/s，專注于低傳輸應用。
（2）功耗低：在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是IEEE802.15.4/ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優勢。
（3） 成本低：IEEE802.15.4/ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費。
（4） 網絡容量大：每個IEEE802.15.4/ZigBee網絡最多可支持255個設備。
（5）時延短：通常時延都在15ms至30ms之間。
（6） 安全：IEEE802.15.4提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法。
（7） 有效范圍小：有效覆蓋范圍10～100m之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。
（8）工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。
與之相反，藍牙技術基本上只是設計作為有線的替代品，經常是為手機和附近的耳機或PDA聯網用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不用說幾年了；一般情況下，藍牙設備需要人手配置和維護網絡連接；它可以用來有效地處理8個設備（一個主設備和7個從設備），如果更多的話，通訊速率則顯著下降。而IEEE802.11a/g, 也被稱作Wi-Fi，也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網絡的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。
由此可見，IEEE802.15.4技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術本身。相信在不遠的將來，將有越來越多的內置式IEEE802.15.4功能的設備進入日常生活，并將極大地改善人們的生活方式和體驗。
3 傳感器節點設計
3.1 硬件設計
（1）MCU芯片。MCU選用P89LV51RD2，是一款80C51微控制器，它其中包含64KB Flash和1024字節的數據RAM。P89LV51RD2的典型特性是它的X2方式選項。設計者可通過該特性來選擇應用程序以傳統的80C51時鐘頻率（每個機器周期包含12個時鐘）或X2 方式（每個機器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運行，其中，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半來保持特性不變，這樣可以極大地降低EMI。 Flash程序存儲器支持并行和串行在系統編程（ISP）。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節省編程花費和推向市場的時間。
（2）數據采集。對于數據采集部分，由于所采集的對象的不同，可能存在采集時的速度，分辨率等有不同的要求，所以在模塊設計中，將采集部分獨立出來，通過標準的RS232接口與MCU芯片進行通訊。
（3）無線芯片。無線芯片采用內置IEEE802.15.4協議的Freescale 公司生產的MC13192芯片。圖1為MC13192芯片引腳圖。
圖1 MC13192芯片引腳圖
圖2是典型連接示意圖。
CE：SPI端口控制線，MCU輸入低電平信號使其有效；
SPICLK：MCU提供給MC13192時鐘信號，數據的輸入輸出開始發生在SPICLK脈沖的上升沿，在下降沿結束；
MOSI：數據從主設備（MCU）輸出，進入從設備（MC13192）；
MISO：數據從從設備（MCU）輸出，進入主設備（MC13192）。
圖2 MC13192芯片與MCU連接圖
3.2 電路設計
圖3是原理圖及線路板圖。
圖3 原理圖及線路板圖
3.3 無線傳感器節點測試
圖4 無線傳感器節點模塊測試
（1）測試實驗
利用超級終端軟件對無線傳感器節點模塊進行必要的通訊測試如圖4所示。
將兩個無線傳感器模塊分別通過RS232接口與計算機連接。對無線模塊的性能進行測試。對RS232接口進行必要的設置（速度38400B/s、數據位8、奇偶校檢無、停止位1）
（2）測試結果及分析
① 無障礙測試結果如圖5所示。
圖5 無障礙測試時通訊距離與功率關系圖
② 穿墻測試結果
這里墻厚為20cm，測試結果如圖6所示。節點的接受功率平均降低約-11dBm。
圖6 穿墻測試時通訊距離與功率關系圖
③ 復雜情況下的測試
在有過多障礙物的情況下，包括穿越幾堵墻和在通訊道路拐角過多的情況下測試，發現通信質量很差，出現數據包丟失和連接失敗的情況。在實際的應用和測試中，為了得到良好的通信效果，應盡量縮短通信距離和保持通信范圍的空曠。另外，可以從天線方面著手進行改進設計，增強靈敏度，從而提高通信質量。
4 實際應用
通過本文中無線傳感器模塊的設計與實際的制作，我們將它們應用于“無線燃氣抄表系統” (圖7)，項目已通過甲方的驗收并得到甲方的好評。
圖7 無線燃氣抄表系統
在項目中每戶家庭中的煤氣表與設計的無線模塊相連接，通過一個手持式接受器（類似SINK節點），在樓宇間移動過程中進行燃氣數據的收集；然后將手持機拿回基站通過RS232的下載數據線，將采集的燃氣數據下載到服務器中，以備數據的后續處理。
在數據收集過程中，通過各樓層節點的廣播來激活樓層比較高的節點。并通過接力的方式將各戶的燃氣數據下載到手持機上。其數據收集的具體過程如下：
（1）手持機發出激活命令；
（2）無線燃氣表節點被激活；
（3）每個無線燃氣表節點分別延長不同隨機倍數的時間段T后，發出通知信息，告知手持機自己被激活；
（4）手持機建立激活無線燃氣表節點表；
（5）手持機對激活節點表中的無線燃氣表節點進行點名通訊，直到表中所有節點的數據下載成功；
（6）重復(1)～(5)，直到小區所有燃氣數據下載完成。
5 結束語
本文設計開發了基于IEEE802.15.4協議的無線傳感器網絡原型。其中包括基于Philiphs P89LV51RD2處理器和Freescale MC13192無線芯片的傳感器節點硬、軟件設計開發，并將設計的原型系統應用到“無線燃氣抄表系統”項目中。為無線傳感器網絡的進一步研究和實際應用打下良好的基礎。
參考文獻：
[1]任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報, 2003, 14(7):1282-1291.
[2]G.J Pottie, W.J Kaiser. Wireless Integrated Network Sensors[J].Comm. ACM, 2000, 43(05): 51-58.
[3]李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展[J].軟件學報，2003， 14(10):1717-1727.
[4]馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述[J]. 通信學報， 2004, 25(4):114-124.
[5]王東，張金榮，魏延，唐政，曹長修.利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J].重慶大學學報(自然科學版)，2006 ，29(08):95-97.
[6]瞿雷.一種新的無線網絡通信技術Zigbee[J].單片機與嵌入式系統應用.2006，1:11-14.
[7]王權平，王莉. zigbee技術簡析[J].通訊世界，2003，101(04): 41-43.
作者信息:
王 東 ，魏光明（重慶工學院計算機科學與工程學院，重慶 400050 ）
魏 延（重慶師范大學，重慶 400047）
張金榮（重慶大學自動化學院，重慶 400030）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號