基于ZigBee的无线传感器网络数显汇聚节点设计

基于ZigBee的无线传感器网络数显汇聚节点设计李晓初，李杰，谭兰电子科技大学光电信息学院，成都（610054）E-mail：fashiontide@摘要： Zigbee无线传感器网络（WSN）以其低成本低功耗的优势成为了目前研究的热点，但其监控端大都离不开PC机，使网络调试不便。

文章介绍了ZigBee无线传感器网络WSN 的特点，并提出了一种带ARM控制的TFT-LCD显示屏的扩展WSN汇聚节点的设计方案，使得WSN网络调测试脱离PC机，并实现了现场图示化显示各传感器节点信息的功能。

并介绍了模块互联的硬件结构设计，以数据流向说明了系统工作原理，并进行了软件设计。

关键词：ZigBee；无线传感器网络；ARM；汇聚节点；液晶显示屏中图分类号：TP2121.引言ZigBee是近年来提出的一种面向低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率的近距离双向无线通信新技术，正是由于其较低的数据传输速率、较低的工作频段和容量更小的协议栈，使得ZigBee模块的整体功耗非常低。

根据现有的ZigBee技术规格制造的产品，在大多数目标应用场合下仅靠2节标准5号电池就可持续工作6个月到两年。

因此其主要应用在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络[1]（Wireless Sensors Network, WSN）等领域，以满足对小型廉价设备的无线联网和控制。

但是基于ZigBee协议构建的WSN要实现网络传感数据的显示大多都要依赖于PC系统，使用PC做为监控端不仅成本高昂，而且当网络布置位置特殊时，使用PC监控的方式就很不方便。

为此，本文设计了一种功能增强型的WSN汇聚节点。

在当前的WSN汇聚节点上配置由ARM（Advanced RISC Mechanism）单片机控制的LCD液晶显示屏，取代PC成为WSN 中的监控端，使得WSN终端节点的传感数据可以在手持式汇聚节点上显示。

由于ZigBee协议面向低成本、低速率和低功耗的应用，因此基于ZigBee的WSN硬件实现方案中使用的微控制器MCU均是低功耗、小容量存储器配置的（如常用的Freescale 公司MC9S08GT60微控器），这种类型的MCU没有足够的运算能力和存储空间来做为图示化显示的处理器，因此选用32位RISC精简指令集的ARM单片机以实现功能扩展。

2.ZigBee技术简介ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和媒体控制层协议为IEEE802. 15. 4协议标准。

ZigBee 网络一般有星型、对等型和混合型3 种拓扑结构，包含全功能设备( Full Function Device ,FFD) 和简化功能设备( Reduced Function Device , RFD) 两种物理设备[2]。

全功能设备支持各种拓扑结构，简化功能设备功能受限，仅支持星型拓扑结构。

网络可工作在ISM全球通用( Industrial, Scientific and Medical)免付费频段2. 4GHz/915MHz美国通用/868MHz欧洲通用三个频段上[3]，其数据传输速率分别为250 Kbps、40 Kbps、20Kbps，划分信道数分别为16、10、1个。

ZigBee设备为低功耗设备，具有能量检测和链路质量指示的功能。

同时，由于采用了碰撞避免机制(CSMA-CA) ，避免了发送数据时的冲突。

在网络安全方面，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，保证了数据传输时的高可靠性和安全性。

用ZigBee 技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、性价比高、放置灵活、扩展简便、成本低、功耗低、安全可靠[4]。

ZigBee 技术的这些优点使其在WSN 无线传感器网络技术中得到了广泛的应用，许多现有的WSN 网络软硬件都是使用基于ZigBee 协议开发的IC 模块和协议栈（如本文用到的MC13192无线收发芯片及Z-Stack 软件包）开发的，因此基于ZigBee 技术的WSN 汇聚节点常常被称为ZigBee 汇聚节点。

3. 数显汇聚节点硬件设计3.1 硬件结构设计硬件实现上采用“基本节点”+“功能扩展”的数显汇聚节点结构，如下图所示：图1 无线传感器LCD 显示型节点结构上图中虚框左半部分是WSN 的基本功能汇聚节点，使用Freescale 公司的MC9S08GT60低功耗单片机加MC13192无线射频收发模块进行设计。

对于汇聚节点来讲，传感器组是可选的，但为了FFD 与RFD 硬件结构的统一，降低制板成本，汇聚节点预留了传感器接口（本文设计的是温度及湿度传感器）。

MC13192与MC9S08GT60通过SPI 接口连接；增加RS232接口是为了能对节点的初始参数进行配置，在MC9S08GT60内置的其中一个UART 口上增加RS232电平转换器即可实现。

MC9S08GT60是Freescale 飞思卡尔半导体开发的超低功耗混合信号控制器，片内带有64KB Flash 和4KB RAM 、两个异步串行通信接口（Serial Communication Interface, SCI ）、1个全双工同步串行外设接口（Serial Peripheral Interface, SPI ）和8个10位的A/D 模数转换器[5]， 其非常适用于做为低功耗ZigBee 网络的微控器。

MC13192也是Freescale 公司根据IEEE802.15.4/ZigBee 标准设计的无线数据收发调制解调器，芯片可进行全频谱编码和译码，并包含标准的4线SPI 及7个通用I/O 口方便与MCU 接口、可编程的时钟以供基带微控制器使用，且硬件支持超低功率模式，只需要很少的外围元件就可搭建RF 收发模块。

虚框右半部分为功能扩展模块，实现对汇聚节点接收到的网络传感数据的显示。

本显示功能扩展模块使用了Philips公司基于ARM7TDMI内核的32位单片机LPC2210以及LCD 液晶屏驱动控制器R61505U。

基于ARM7TDMI-S内核的LPC2210具有32位高端RISC单片机的大部分特性，如：多达76个的GPIO口线，功能齐全的各种接口（SCI,SPI,I2C），4BANK 的外部存储器接口等。

数显汇聚节点中LCD控制器与LPC2210之间通过32位总线方式相连，总共占用MCU的40条引脚线。

一般MCU难以提供40多个GPIO给外设，这也是使用32位ARM处理器的便利之处。

R61505U是一款26万色240x320点TFT彩色液晶屏的控制驱动IC。

它向用户提供了70余条控制指令，对引脚I/O方向配置、电源管理、RAM读写、γ控制、屏内窗口控制、面板图像控制、部分图像显示、面板接口方式控制等内容进行非常灵活的设置。

R61505U 液晶屏控制器使用32位外部总线方式连接至LPC2210外部存储器的BANK2部分，占用地址范围为0x82000000~0x82FFFFFF。

2210只有16KB片内SRAM，没有片内ROM，所以要对存储器进行扩展，片外ROM存储器使用16位宽，2MB容量的SST39VF160，片外SRAM 存储器为512KB容量的IS61LV25616AL。

通过跳线选择ROM、RAM所在的存储器BANK 组，如ROM占用BANK0，此时其地址范围为0x80000000~0x80FFFFFF，RAM占用BANK1，其地址范围为0x81000000~0x81FFFFFF，此种设计是为了调试程序的方便，程序代码写入SRAM中运行要比在FLASH中快，所以调试程序时一般选用外部RAM调试。

但当数显汇聚节点脱机运行时代码必须要固化到FLASH ROM中，而要使LPC2210从外部引导，程序代码则必须起始于0x80000000地址，即BANK0所占地址起始处。

3.2工作原理从传感数据传输路径来看，数显汇聚节点工作机制概括如下：汇聚节点上电初始化后通过网络内的节点发现机制，逐步建立起以汇聚节点（FFD设备）为中心，树状连接终端节点RFD的星型网络；RFD通过RF模块向周围空间发射包含传感数据（如数显汇聚节点涉及的温湿度数据）的射频信号，信号被汇聚节点捕获后，由MC13192进行输入射频信号的解调，解调后的数据具有ZigBee网络数据包的封装格式，此数据包再经过数据段提取，就被还原为最初的传感数据；之后传感数据将被送往显示系统。

MC9S08将传感数据以字节为单位通过串口发送至LPC2210，当LPC2210接收完所有字节后，便按照预先规定的传感数据格式提取相应数值，并进行数制转换、字符化等操作，之后调用字库，查找字符对应的点阵图像，使用颜色渲染此点阵图后再用18位RGB位图格式送往LCD显示。

因此，MC13192的数据收发以及LCD显示屏的驱动原理成为传感器数据从电波到字符再到位图整条通路中的关键。

3.2.1MC13192的数据收发MC13192有数据分组及数据流两种数据传递方式，工作在数据分组模式时，数据作为整个分组进行处理，并在整个分组接收完毕后通过中断告知MCU ;工作在数据流模式时，以字为单位接收数据并通过中断告知MCU 。

图2 所示是MC13192 的数据帧结构，数据组最大长度为125 Bytes，MC13192 在数据组前添加了4bytes的引导序列( Preamble) ，1byte的帧开始定界符( SFD) ，以及一个帧长度指示符( FLI) ，并计算出2 bytes的帧校验序列( FCS) 添加在数据组之后。

图2 MC13192数据帧结构接收数据时，MC13192将无线射频输入通过两级下变频转化为中频同相正交( In phase and Quadrature, I&Q) 信号,然后基于一个指定的时间间隔上合成的基带能量进行空闲信道评估（Clear Channel Assessment, CCA ），并由数字终端执行片上差分检测，再由相关器分离出直接序列扩频(DSSS) 偏置四相相移键控(O-QPSK) 信号，最后判决出符号和信息分组， 检测数据。

发送数据过程是接收过程的逆操作。

MC13192先将待发送原始数据转换成IEEE802. 15. 4 的物理层规定的分组格式，并经过扩频、上变频处理将其调制到发送频率。

如果是在分组模式，那么调制后的待发送数据分组被装入发送缓冲器（TX Buffer ）中，接着MCU 命令发送数据分组，在整个分组完全发送成功时MC13192以中断形式通知MCU 。

如果是在数据流模式，数据包被逐字送至MC13192调制后发送，每发送完一个字便通过中断通知MCU 其已准备好发送下一数据，如此循环直到整个数据包发送完[6]。

3.2.2 MC13192与MCU 的通信MCU 与MC13192 的接口由SPI 接口及中断请求线实现。