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基于802.15.4ZigBee无线传感器网络节点的物理层设计

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李健』

基于802.15.4/ZigBee无线传感器网络节点的物理层设计Physical—LayerDesignofWirelessSensorNetworkNodesbasedonIEEE802.15。4/ZigBee■重庆邮电大学计算机与通信技术t点实验室昊慧敏成谦张毅

摘要关键词无线传感网络和ZigBee都是目前研究的热门对象。本文简要介绍了基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感网络的主要优势,重点介绍了基于IEEE802.15.4/ZigBee的传感器节点模型以及可供选择的几款传输模块芯片,并给出了一个实际的节点设计方案。

无线传感网络;802.15.4;ZigBee节点;无线传感器

0k≮

以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要较高的传输带宽,但却要求具有较低

的传输延时和极低的功率消耗,使用户能拥有

较长的电池寿命和较多的器件阵列。

IEEE802.15.4/ZigBee标准把低功耗、低成本作

为主要目标,为传感器网络提供了互连互通的

平台。目前基于该技术的无线传感器网络的研

究和开发得到越来越多的关注。

筒分

IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和8681

V图1ZigBee协议栈928MHz的无线技术,网络层以上协议由结构ZigBee联盟制定,IEEE802.15.4负责物理层和

I虑用屡

l应用层接口API

网络层

I数据链路点扔DL

l媒质接入肌c

物雕层PHY

圣学_;蠹品t暴|2006.8

www.eepw.com.cn

物理层采用DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频)技术,可提供27个信道用于数据收发。IEEE802.15.4定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两种物理层标准。物理层的主要功能包括:激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据。

数据链路层

IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC。IEEE802.15.4的MAC子层支持多种LLC标准。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输;而LLC子层在MAC子层的基础上,给设备提供面向连接和无连接的服务。MAC子层功能具体包括:协调器产生并发送信标帧,普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步;支持PAN网络的关联和取消关联;支持无线信道的通信安全;使用CSMA-CA机制}支持保护时隙(GTS)机制;支持不同设备的MAC层之问的可靠传输。LLC子层功能包括:传输可靠性保障和控制;数据包的分段与重组,数据包的顺序传输。

链路层标准。完整的

一卜用户ZigBee协议套件由高层簿感瓣瓣麓劳院势

l应用规范、应用会聚层、基于IEEE802.15.4标准,可在数千个微小

网络层、以及数据链路的传感器之间实现相互协调通信。另外,采用}ZigBee联盟层和物理层组成。协议接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器r,EEE栈结构如图1所示。.传到另一个传感器,可使得通信效率非常高。一

j_/物理层般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、

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l李健

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功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各通信模块,将采集到的信息数据以无线方式发

种无线通信技术,ZigBee技术的低功耗、低速送出去。该节点同样包IEEE/ZigBee无线通信

率是最适合作为传感器网络的标准。ZigBee技模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直

术适合于承载数据流量较小的业务,特别是传流电源模块以及外部存储器等。

感器网络。传感器节点的各模块器件选择

低功耗.低成本随着IEEE/ZigBee标准的发布,世界各大

在基于ZigBee的传感器网络中,可以由全无线芯片厂商陆续推出了支持该标准的无线收

功能设备作为Sink节点,终端节点一般使用削发芯片。这些芯片大都集成了该标准的物理层

减功能设备来降低系统成本和功耗,提高电池功能,可作为传感器节点的通信模块。采用微

使用寿命。控制器作为处理模块实现MAC层功能。

大容量、短时延?无线收发芯片选择

单个网络中可容纳更高密度的节点。一个无线收发芯片的选择主要考虑以下因素:

ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和1个主①频段:IEEE802.14.5定义了两种工作

设备,一个区域可以有100个ZigBee网络同时频率。一般来讲,高频率能提供高的数据传输

存在,特别地能满足大规模传感器阵列的要求。速率,但对天线要求较高,高速率也意味着需

协议简单、高安全性要耗费更多的能量。各国对无线电产品都有严

ZigBee协议栈长度平均只有Bluetooth或格的管理和监督,根据国内无线频谱管理相关

其他IEEE802.11的1/4,这种简化对低成本、可规定,只能选择工作在2.4GHz频段的器件。

交互性和可维护性非常重要。ZigBee技术提供②调制方式:无线传感网络规模大、密度

了数据完整性检查和鉴权功能,提供了三级安高和带宽窄的特点使得其存在严重的内部通信

全模式,可灵活确定其安全属性,网络安全能够干扰。因此WSN需要实现简单、抗干扰能力强、

得到有效的保障。功耗低且成本低廉的调制和扩频机制。目前广

.泛应用的包括FSK和OQPSK两种。其中FSK

签[::;f二IEEE/ZigBee传感器二乩等的发计具有设备简单、igtN币H解调方便等优点,并且传感器节点的硬件参考模型具有较好的抗多径时延性能

无线传感器网络微型节点一般由传感器模③睡眠电流与唤醒时间:传感器通常处于

块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理睡眠状态,睡眠唤醒时问以及睡眠电流都是必

模块四部分组成。传感器模块负责采集监视区须考虑的指标。表1列出了几种常见收发芯片

域的信息并完成数据转换,采集的信息可以包的主要指标。综合考虑以上因素,适合在国内V表1常见无线收发含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等;使用的射频芯片是工作在2.4GHZ频段的芯片的主要指标

数据处理模块负责控制整个节点的处理}…曩j_~~_??“_可—■话荔;藉j一一:■焉i囊;聂嚣。‘?一wj~。~丽萄聂…一1_i蠢谣i羞i西

操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;数据通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;电源管理模块选通所用到的传感器,节点电源由两节1.5V碱性电池组成,今后将采用微型纽扣电池,以进一步减小体积。

本文设计的传感器节点实现机理是以IEEE/ZigBee传输模块代替传统的串行

频率(GHz)2.42.4’2.40.868

潺涮方式£kQ擎sKfoSS◇◇Q隅K(Dsss)O—QpSK(DSSS)AS袋瘙《激

电源电压(v)2.1—3.62.0—3.62.0,3.421.5.5

毖扎∞9.4

’发辩泡0艇n1焱{{17。4

接收电流(mA)19.727379

猿牧凌救壤(dBm).94.甄-92.1∞

数据速率(kbps)25025025064

÷慰动对蠲《蛾蛾1719磐45)(1◇S’2.5×t041.2Kt04

睡眠电流(mA)10.92.59

。RSSIt/√X√

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CC2420和CC2430。

?处理器的选择

处理器是传感器节点的核心,在选择时,

必须满足体积小、集成度高、功耗低且支持睡

眠模式、速度足够快、成本尽量低等几个要求。

AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成

本诸多方面取得了优化平衡,是高性价比的单

片机。高档ATMega系列AVR单片机,主要包

括ATMega8/16/32/64/128等型号,片内集成了

较大容量的存储器(存储容量分别为8116/32/

64/128KB)和丰富强大的硬件接口电路,具有

先进的RISC精简指令集结构。

?传感器和电源

传感器应根据实际的需要进行选择,可以

是温度、湿度、强度、加速度、震动等传感器。

电源采用5号电池。

节点参考设计原理图

传感器节点参考设计的电路原理图如图2

所示。采用CC2420无线收发芯片作为传输模

块,AVRMegal28作为处理器。图中不包括具

体的传感器器件,可根据具体的应用添加。由

Megal28和CC2420可以实现IEEE802.15.4的

物理层协议。

V图2基于IEEE/电路设计主要包括三个重点部分,即射频ZigBee的无线传感器接口电路、处理器接口电路和上层应用接口电网络节点参考设计电路。射频接口就是CC2420芯片射频引脚与天路图线之间的电路。CC2420的射频信号采用差分方

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式,其最佳差分负载是115+j180Q,阻抗匹配

电路需要根据这一数值进行调整。本设计采用

50欧姆单极子天线,阻抗匹配电路采用巴伦

(BALt.Ⅳ)。巴伦电路由成本低廉的电感和电容

构成(参见图2),包括电感Ll、L2、L3和电容

C3、C4、C5、C6。其中电感L1、L2还为芯片

内部的低噪声放大器和功率放大器提供直流偏

置。

结语

本文重点讨论了基于IEEE802.15.4/ZigBee

标准的WSN的优点及其节点设计,低成本、低

功耗、应用简单的协议的诞生为无线传感网络

及大量基于微控制应用提供了互联互通的国际

标准,不同厂商的微传感器之间基于统一的标

准才能实现互连组网。开放性的产品间的竞争

将最终导致传感器的批量生产并降低成本,从

而为推动无线传感网的应用及相关产业的发展

提供有力的契机。逐

参考文献

1ZigBeeAlliancedocument.http://WWW.ZLgBee.Org.

2IEEEstd.802.15.4.WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer

(PHY)specificationsforLowRateWireless

PersonalAreaNetworks(LR—WPAN).http://

standards.ieee.org/

getieee802/down—

0ad/8O2。15.4—

2003.pdf

3于海斌,曾鹏,梁

哗.智能无线传感器网络

系统.科学出版社,2004.

4韩旭东,张春业

.传感器无线互连标准及

实现.电子技术应用,

2004,30(4).

搜索ZigBee,电子产品世界

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基于802.15.4/ZigBee无线传感器网络节点的物理层设计

作者:吴慧敏, 成谦, 张毅

作者单位:重庆邮电大学计算机与通信技术重点实验室

刊名:

电子产品世界

英文刊名:ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD

年,卷(期):2006,""(15)

被引用次数:0次

参考文献(4条)

1.ZigBee Alliance document

2.IEEE std.802.15.4.Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN)

3.于海斌.曾鹏.梁晔智能无线传感器网络系统 2004

4.韩旭东.张春业传感器无线互连标准及实现[期刊论文]-电子技术应用 2004(04)

相似文献(10条)

1.学位论文林静IEEE 80

2.15.4有时隙CSMA/CA在无线传感网络中的协议性能研究2007

无线传感网络作为一种正在兴起的技术具有非常广阔的潜在应用范围,但其面向用户的特性导致其对协议要求不尽相同,难以寻找到一种较为通用的标准。在目前的无线个域网领域内,IEEE802.15.4无线个域网协议最接近无线传感网络的需求。

本论文以国家自然科学基金项目《动态可重构SOC系统架构和实现方法关键问题研究》为依托,进行前期预研,对IEEE802.15.4信标触发模式下有时隙CSMA/CA机制进行建模,采用OPNET Modeler仿真工具对CSMA/CA中信标次序、超帧次序、后退避让指数及节点个数对于网络的性能的作用做了仿真分析,得到三个基本结论,即:有时隙CSMA/CA后退避让算法在大规模传感网络环境下不够灵活;取得网络吞吐量和平均延迟最佳平衡的最优范围为

G∈[35%,60%];较低的超帧次序会引入附加的消耗,影响网络吞吐量。本文弥补了当前为有时隙CSMA/CA机制建立的马尔可夫链模型的不足,为全面了解IEEE802.15.4的CSMA/CA机制及其在无线传感网络中的有效应用奠定一定基础,并通过发现该机制中的局限性,为今后提出通过引入一些MAC可重构的措施提高这一机制的性能的研究提供了依据。

本论文第一章对无线传感网络的特点及目前需要设计的通信协议所面临的问题作了概述。第二章对面向无线个域网的三个协议及802.15工作组的研究情况作了简述,而后对本文所关注的802.15.4协议机制作了详细介绍。第三章详细阐述了马尔科夫链模型在非饱和和饱和情况下的算法,并指出了局限性。第四章阐述了本文采用的算法和建模的流程,包括对OPNET仿真工具的介绍,给出仿真的节点模型,过程模型,属性设置和仿真场景。第五章对模型进行评估和分析,给出不同设置下模型的性能曲线图和分析,最后对协议机制的局限性做了小结,并对可以改进的地方做了几点展开。

2.期刊论文石军锋.钟先信.陈帅.Shi Junfeng.Zhong Xianxin.Chen Shuai基于IEEE 8O2.15.4的无线传感网络的数据链路协议-中国机械工程2005,16(z1)

无线传感网络是一门获取和处理信息的新兴技术.分析了无线传感网络数据链路协议设计面临的挑战,介绍了目前的研究现状,并从拓扑结构、帧结构和信道访问三方面重点介绍了IEEE802.15.4标准在数据链路层的设计,分析了其适用于无线传感网络的机制.

3.期刊论文刘述钢.刘宏立.詹杰.朱凡基于IEEE 802.15.4的低复杂度OQPSK全数字调制方法-传感技术学报2010,23(5)

深入研究IEEE 802.15.4协议中经半正弦函数成型的OQPSK调制信号中相邻相位的变化特征,为便于调制算法的全数字电路实现,对基带调制算法进行了数字化处理.同时,本文提出一种循环移位和查找表相结合的方法降低电路复杂度,有效减小了调制器的实现成本.仿真及FPGA综合结果表明:该方法简单易行,逻辑单元数和存储器比特数仅分别为52和72,满足无线传感网络低成本的要求.

4.学位论文姜天杰无线传感器网络MAC控制器的软硬件设计与验证2008

近年来,无线传感网络进入了快速发展的阶段。符合IEEE 802.15.4 标准的无线传感网络的产品已经成功的市场化,成为市场的主流。IEEE

802.15.4 标准规定了媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)的详细功能。在MAC 层,标准定义了信道争用算法以及协调器和精简指令设备通信过程。在物理层,标准规定了在898MHz/915MHz/2.4 GHz的频段,采用BPSK和O-QPSK 调制的通信格式,能分别提供20 kbps、40 kbps、250 kbps的通信速度。无线传感网络MAC 控制器是无线传感网络节点SOC的重要组成部分,而无线传感器节点SOC 是构建无线传感网络的基础,因而MAC 控制器的研究对推动无线网络的普及应用具有重要的意义。

本篇论文主要讨论了一种符合IEEE 802.15.4 标准的MAC 层控制器的软硬件的设计和验证。所设计的MAC 控制器是基于协处理器的架构来实现的

,并且基本功能通过了FPGA 上的验证。MAC 控制器的系统设计包含硬件设计和软件设计的两部分。

硬件设计主要包括基于数据发送部分,数据接收部分和协处理器部分Verilog 设计,接口模块主要有特殊功能寄存器接口模块,物理层射频芯片的接口模块等。软件设计主要是无线传感网络协议通讯程序,实现MAC 功能的程序和接口硬件C 程序三部分,这些程序都是在KEIL C 集成开发环境下开发的C 程序。

MAC 控制器的验证平台由Xilinx的FPGA和TI的物理层芯片CC1000组成,其中FPGA 用于实现MAC 控制器的设计。TI的物理层芯片有基带处理器,射频芯片等。

MAC 控制器的基本功能已经通过了上述验证平台的验证。

5.期刊论文王静霞.WANG Jingxia一种与ZigBee/802.15.4协议兼容的RF模块XBee/XBee Pro及其应用-电子工程师2007,33(3)

介绍了一种与ZigBee/802.15.4协议兼容的MaxStream公司推出的RF模块XBee/XBee Pro的性能特点、引脚功能、操作模式及其在小型无线传感网络中的应用.该模块设计满足IEEE 802.15.4标准,具有DSSS(直接序列扩频)功能;硬件采用标准UART接口;具有接收、发送、睡眠、命令和空模式等5种操作模式.该模块具有体积小、功耗低、接口简单、易于组网以及升级方便等优点,适用于较低数据速率的短距离通信应用,尤其在智能无线传感网络设计中有着广阔的应用前景.

6.期刊论文李明.周四清.LI Ming.ZHOU Si Qing IEEE 802.15.4 MAC协议能耗与时延均衡的GTS调度新算法设计木

-微型机与应用2010,29(1)

简述了IEEE 802.15.4 MAC协议中超帧结构和保护时隙(GTS)分配机制,分析了星状网络中信标使能模式下设备节点利用GTS方式通信时超帧结构中各参数对能耗与时延性能的影响.在此基础上设计了一种GTS调度新算法,该调度算法对时延期限小的节点优先进行GTS分配并在满足其时延要求情况下,根据业务量调节超帧结构中的超帧序号SO与信标序号BO,使设备节点能耗降到最低,从而实现星状网络中各节点的能耗与时延均衡,并用NS2仿真评估了调度新算法性能,其研究可为无线传感网络的实时应用系统提供参考价值.

7.会议论文石军锋.钟先信.陈帅基于IEEE 8O2.15.4的无线传感网络的数据链路协议

无线传感网络是一门获取和处理信息的新兴技术.分析了无线传感网络数据链路协议设计面临的挑战,介绍了目前的研究现状,并从拓扑结构、帧结构和信道访问三方面重点介绍了IEEE802.15.4标准在数据链路层的设计,分析了其适用于无线传感网络的机制.

8.学位论文董海涛基于Zigbee的无线传感器网络的设计与实现2007

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,推动了无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)的产生和发展。无线传感网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统,具有广阔的应用前景,正成为目前一个热点研究领域。美国商业周刊和MIT技术评论分别将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。

IEEE 802.15.4标准是针对低速率无线个人区域网络(Low-rate wireless Personal Area Network,LR-WPAN)制定的标准,旨在为低功耗的设备提供有效覆盖范围在10 m左右的低速无线连接。Zigbee协议以IEEE 802.15.4标准的物理层和介质链路层为基础,增加了网络层、安全层和应用软件,可以实现大区域的网络覆盖和网络扩展。

Zigbee无线传感网络是基于Zigbee协议的无线传感网络,是Zigbee协议与传感技术的结合。将Zigbee运用到无线传感网络中主要是基于Zigbee在低功耗、低成本方面的优势。

本文的研究工作主要集中在以下几个方面:

(1)无线传感网络和zigbee技术的研究本文分析了无线传感网络和Zigbee技术的特点,探讨了无线传感网络的关键技术,与其他无线技术进行了比较,结果表明:Zi gbee技术是最适合无线传感网络的协议标准。

(2)IEEE 802.15.4协议和Zigbee协议的研究Zigbee协议栈由物理层、介质链路层、网络层、安全层和应用层组成。其物理层和介质链路层协议为IEEE802.15.4协议标准,网络层和安全层是由Zigbee联盟制定的。本文在分析了协议栈的基础上,将Zigbee技术和无线传感器网络进行融合。

(3)Zigbee无线传感网络平台的设计与实现从硬件的兼容性和软件的可开发性出发,本文提出了Zigbee无线传感网络平台的设计要求,设计并实现了一种典型的无线传感网络平台,并通过实验验证了该平台的可行性。

本文将无线传感网络和Zigbee技术进行结合,其主要工作在于:通过Zigbee技术的分析,对Zigbee协议进行裁剪和优化,使其更好的适用于无线传感器网络,并且设计出一种达到Zigbee技术要求的平台。通过实验结果证明,Zigbee技术完全适合无线传感器网络。

9.期刊论文高强.陈明.GAO Qiang.CHEN Ming基于ZigBee协议的温室无线传感网络的构架-机床与液压

2008,36(7)

通过对新型、开放的无线互联技术ZigBee技术的分析,结合传感器技术、ZigBee、IEEE1451.2技术、路由协议,构建了一种以簇状网络为模型的无线传感器网络.分析讨论了基于"温室环境无线监测系统"的无线传感器结构和无线传感器网络的实现.

10.学位论文姚玮802.15.4协议栈的研究与实现2007

本文的主要工作是深入研究无线传感器网络IEEE802.15.4规范文档,开发平台相关的MC9S08GT60,MCl3192芯片文档,具体实现了基于HCS08 CPU和MC13192射频芯片的802.15.4协议栈。

首先,简单的介绍了802.15.4协议栈物理层,MAC层的系统结构和工作原理,同时还简单的介绍了开发平台的基本框架。

随后,分别详细阐述了协议栈所包括的硬件服务平台,物理层和MAC层三大模块。硬件服务平台提供了与平台无关的基本系统服务,为上层的协议栈搭建提供了良好的基础,也为今后的平台的移植提供了便利。物理层实现了基于MC13912芯片的802.15.4物理层所有功能,今后更换其它射频芯片只需要修改物理层即可。MAC层实现了802.15.4MAC层的部分功能。由于无线传感网络对硬件和节能方面的苛刻要求,协议栈要做得越简单越小越好。因此,提出了按照Beacon和NO Beacon的方式对协议栈进行裁减。讨论了实现其中的No Beacon模式下的协议栈。

最后,对该协议栈进行了简单的测试和分析,列出了测试环境,测试方案和测试结果。

本文链接:https://www.doczj.com/doc/462606579.html,/Periodical_dzcpsj200615024.aspx

授权使用:洛阳工学院(河南科技大学)(wflskd),授权号:b519031c-4bec-4a24-8728-9db90111f9ab

下载时间:2010年7月20日

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