IEEE802.15.4协议的无线传感器模块的设计与应用--控制网



IEEE802.15.4协议的无线传感器模块的设计与应用
企业：控制网 日期：2007-09-26
领域：工厂信息化 点击数：1600



                                             关键词：IEEE802.15.4; 无线传感器网络; MC13192

    王东（1969—）
男，江苏南京人，工学博士，主要研究方向为无线传感器网络、机器学习等。

1   前言

    随着微电子技术、传感器技术的发展，无线传感器节点的设计和制造得到了迅速的发展，现在很多公司在从事这方面的工作，它们设计的侧重点各有不同，在硬件上有选用DSP芯片的，也有选用8位、16位、32位微处理器的；在无线协议中，有用IEEE802.11、IEEE802.1 5.4(ZigBee)、IEEE802.15.1(Buletooth)的；在软件上有作操作系统（Tiny OS），也有注重硬件小型化方面研究的。

    本文将针对无线传感器网络(WSNs)技术在实际应用中的特点,利用Freescale公司研发的MC13192无线通讯芯片，构建了一个基于IEEE802.15.4协议的无线传感器网络原型系统。文中首先讨论IEEE802.15.4协议，然后研究如何用MC13192模块来构建无线传感器模块，并对制作的模块进行必要测试，实现了数据的采集和传输。最后将设计的无线传感器模块应用到“无线燃气抄表系统”项目中。

2   IEEE802.15.4技术介绍

    IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。IEEE 802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10～100m左右的低速连接，主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域，传感器网络是其主要市场对象。将传感器与IEEE802.15.4设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以构成无线传感器模块。其应用实例包括恶劣环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在运转的机器等。在这些应用上，一个IEEE802.15.4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。

    2.1   IEEE802.15.4协议架构及其技术特点

    IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的介质访问层（MAC）和多样的物理层（PHY），表1中概括了IEEE802.15.4标准的主要技术特征。Zigbee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

    IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型的LLC标准，同时允许其他LLC标准直接使用IEEE 802.15.4 的MAC层服务。

    表1    IEEE802.15.4标准的主要技术特征

 复杂程度

 比现有标准低

 通信时延

 ≥15ms

 目的

 只支持数据通信

 功耗

 约45μA

 频段、数据率及信道数

 868MHz：20Kbps 1925MHz:40Kbps 102.4GHz:250Kbps 16

 MAC的控制方式

星型网络对等网络 

每个网络支持节点数 

65536 

寻址方式 

64bit IEEE地址8bit 网络地址 

 连接层结构

开放式 

温度 

40℃～85℃ 

 传输范围

室内：10m速率250Kbps；+0dBm TX室外：30m-75m速率40KB/s，300m速率20KB/s 

应用

传感器、玩具、控制等领域  



    IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。

    2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250KB/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。

    868/915MHz物理层使用简单的DSSS方法，即二进制相移键控(BPSK)方式。868MHz是欧洲的ISM频段，传输速率为20KB/s；915MHz是美国的ISM频段，传输速率为40KB/s。这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，且这两个频段上的无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

    2.2   IEEE802.15.4技术的优势及应用

    IEEE802.15.4/ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较：

    IEEE802.15.4从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的：

    （1）数据传输速率低：只有10KB/s到250KB/s，专注于低传输应用。

    （2）功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是IEEE802.15.4/ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

    （3） 成本低：IEEE802.15.4/ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。

    （4） 网络容量大：每个IEEE802.15.4/ZigBee网络最多可支持255个设备。

    （5）时延短：通常时延都在15ms至30ms之间。

    （6） 安全：IEEE802.15.4提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。

    （7） 有效范围小：有效覆盖范围10～100m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

    （8）工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

    与之相反，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了；一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备（一个主设备和7个从设备），如果更多的话，通讯速率则显著下降。而IEEE802.11a/g, 也被称作Wi-Fi，也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高。

    由此可见，IEEE802.15.4技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。相信在不远的将来，将有越来越多的内置式IEEE802.15.4功能的设备进入日常生活，并将极大地改善人们的生活方式和体验。

3   传感器节点设计

    3.1   硬件设计

    （1）MCU芯片。MCU选用P89LV51RD2，是一款80C51微控制器，它其中包含64KB Flash和1024字节的数据RAM。P89LV51RD2的典型特性是它的X2方式选项。设计者可通过该特性来选择应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2 方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，其中，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变，这样可以极大地降低EMI。 Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP）。并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程花费和推向市场的时间。 

    （2）数据采集。对于数据采集部分，由于所采集的对象的不同，可能存在采集时的速度，分辨率等有不同的要求，所以在模块设计中，将采集部分独立出来，通过标准的RS232接口与MCU芯片进行通讯。

    （3）无线芯片。无线芯片采用内置IEEE802.15.4协议的Freescale 公司生产的MC13192芯片。图1为MC13192芯片引脚图。



图1    MC13192芯片引脚图


    图2是典型连接示意图。

    CE：SPI端口控制线，MCU输入低电平信号使其有效；

    SPICLK：MCU提供给MC13192时钟信号，数据的输入输出开始发生在SPICLK脉冲的上升沿，在下降沿结束；

    MOSI：数据从主设备（MCU）输出，进入从设备（MC13192）；

    MISO：数据从从设备（MCU）输出，进入主设备（MC13192）。



图2    MC13192芯片与MCU连接图


    3.2   电路设计

    图3是原理图及线路板图。

 

图3    原理图及线路板图

    3.3   无线传感器节点测试



图4    无线传感器节点模块测试

    （1）测试实验

    利用超级终端软件对无线传感器节点模块进行必要的通讯测试如图4所示。
将两个无线传感器模块分别通过RS232接口与计算机连接。对无线模块的性能进行测试。对RS232接口进行必要的设置（速度38400B/s、数据位8、奇偶校检无、停止位1）

    （2）测试结果及分析

    ① 无障碍测试结果如图5所示。



图5    无障碍测试时通讯距离与功率关系图

    ② 穿墙测试结果

    这里墙厚为20cm，测试结果如图6所示。节点的接受功率平均降低约-11dBm。



图6    穿墙测试时通讯距离与功率关系图

    ③ 复杂情况下的测试

    在有过多障碍物的情况下，包括穿越几堵墙和在通讯道路拐角过多的情况下测试，发现通信质量很差，出现数据包丢失和连接失败的情况。在实际的应用和测试中，为了得到良好的通信效果，应尽量缩短通信距离和保持通信范围的空旷。另外，可以从天线方面着手进行改进设计，增强灵敏度，从而提高通信质量。

4   实际应用

    通过本文中无线传感器模块的设计与实际的制作，我们将它们应用于“无线燃气抄表系统” (图7)，项目已通过甲方的验收并得到甲方的好评。



图7    无线燃气抄表系统

    在项目中每户家庭中的煤气表与设计的无线模块相连接，通过一个手持式接受器（类似SINK节点），在楼宇间移动过程中进行燃气数据的收集；然后将手持机拿回基站通过RS232的下载数据线，将采集的燃气数据下载到服务器中，以备数据的后续处理。

    在数据收集过程中，通过各楼层节点的广播来激活楼层比较高的节点。并通过接力的方式将各户的燃气数据下载到手持机上。其数据收集的具体过程如下：

    （1）手持机发出激活命令；

    （2）无线燃气表节点被激活；

    （3）每个无线燃气表节点分别延长不同随机倍数的时间段T后，发出通知信息，告知手持机自己被激活；

    （4）手持机建立激活无线燃气表节点表；

    （5）手持机对激活节点表中的无线燃气表节点进行点名通讯，直到表中所有节点的数据下载成功；

    （6）重复(1)～(5)，直到小区所有燃气数据下载完成。

5   结束语

    本文设计开发了基于IEEE802.15.4协议的无线传感器网络原型。其中包括基于Philiphs P89LV51RD2处理器和Freescale MC13192无线芯片的传感器节点硬、软件设计开发，并将设计的原型系统应用到“无线燃气抄表系统”项目中。为无线传感器网络的进一步研究和实际应用打下良好的基础。  

参考文献：

    [1]任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报, 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，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报，2003， 14(10):1717-1727.

    [4]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J]. 通信学报， 2004, 25(4):114-124.

    [5]王东，张金荣，魏延，唐政，曹长修.利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J].重庆大学学报(自然科学版)，2006 ，29(08):95-97.

    [6]瞿雷.一种新的无线网络通信技术Zigbee[J].单片机与嵌入式系统应用.2006，1:11-14.

    [7]王权平，王莉. zigbee技术简析[J].通讯世界，2003，101(04): 41-43.

作者信息:

    王  东 ，魏光明（重庆工学院计算机科学与工程学院，重庆  400050 ）

    魏  延（重庆师范大学，重庆  400047）  

    张金荣（重庆大学自动化学院，重庆  400030）
  • 在线反馈
1.我有以下需求：



2.详细的需求：
姓名:
单位:
电话:
邮件: