无线传感器网络系统的设计.doc

Zigbee无线传感器网络系统的设计 The Design of Wireless Sensor Network System Based on Zigbee 摘要：随着通信技术高度发展以及人们生活的需要，在世界范围内无线通信技术得到了迅猛的发展，但对于一些特殊的环境和场合，比如面积广大、气候恶劣而且需要长期监测的地区，一般的无线技术由于造价和功耗的问题，并不能很好的解决这个问题。而Zigbee技术由于其低功耗、低速率、自组网、低成本的特点可以很好的帮人解决这一难题。 关键词：传感器网络，无线通信，Zigbee， With the high development of communication technology，and in needs of people’s life, the wireless communication technology has been rapidly developed worldwide. However, in some special environment and conditions, the common wireless technology can not meet the need of monitoring the vast, harsh climate district that need to be monitored long term for their high cost and high power. The Zigbee technology can help people solve this problem, for its characteristics of low power, low rate, low cost and ad-hoc network . WSN wireless communication Zigbee 无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，目前世界范围内对传感器网络的研究与开发是信息领域的一大热点，学术界和产业界对它的学术价值和应用前景非常看好，目前已经广泛的应用于军事、国家安全、医疗卫生、农业和城市信息化建设等领域。 通常来讲，无线传感器网络由多个功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点又由数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和供电模块等组成。开发无线传感器网络系统需要完成以下四个部分的关键技术： 节点整体电路设计； 节点射频模块电路设计； 节点软件开发； 系统上位机软件开发； 1节点整体电路设计 在实际应用中，为了完成数据采集、信号监测和传送等任务，无线传感器网络节点一般主要包括：传感器、信号调理电路、AD模数转换、微控制器（包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等）、无线通信单元（由无线通信射频模块组成）、人机界面、电源管理模块等组成部分。多数情况下，设备的工作环境、设备体积、设备维护等诸多因素决定了WSN节点必须使用电池供电。因此，设计中应最大限度地实现低功耗，硬件电路应尽可能采用高集成、低功耗器件。在本文中，采用了低功耗SOC Zigbee 单片机CC2430、CMOS运放、LCD、LDO等。典型的WSN节点结构如图1所示。 图1 典型无线传感器网络节点结构 2 节点射频模块电路设计 Zigbee采用2.4GHz（欧洲采用868MHz）免授权的ISM频带，射频卡设计需要电磁场理论、天线理论、传输线、EMC和PCB的等多种技术做基础。同时还需要射频信号发生器、频谱分析仪、DSO等专业设备支持。在实际应用中，无线传感器网络系统的应用系统开发工程师可直接购买专业厂商生产的节点射频模块以加快系统开发速度。 一种典型的射频卡原理框图如图2所示。 图2 典型射频卡原理框图 其中，匹配滤波网络完成通带滤波、balun变换及阻抗变换等。天线可采用特征阻抗为50Ω的鞭状天线或倒F天线。典型电路原理图可参考CC2430数据手册。 在一些工业应用中，需要扩展射频卡的传输距离但又不希望增加路由节点时，就需要在上面所述的射频模块上增加射频功率放大器PA和低噪声放大器LNA，从而提升射频模块的发射功率和接收灵敏度。扩展距离的射频卡原理框图如图3所示。 图3 距离扩展射频卡原理框图 3节点软件开发 Zigbee节点的软件设计主要包括Zigbee协议栈和节点应用程序两个方面，其中Zigbee协议栈是为了实现Zigbee无线网络通信功能而设计的，而节点应用程序是为了实现节点的具体功能而设计的。协议栈是Zigbee协议规范的具体实现代码，一般采用分层结构设计方法，如图4所示。构建基于Zigbee技术的无线传感器网络的关键就是Zigbee协议