基于MC13192的无线传感器网络节点设计

2007-04-10 10:52:57来源: 单片机及嵌入式系统应用

引 言

无线传感器网络是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物,是互联网领域研究的热点之一。应用于无线传感器网络的技术有许多种(如蓝牙技术、红外技术和超带宽无线通信技术等),推动了无线传感器网络的发展。但是,在家庭控制、医疗护理和工业监测应用中不需要很高的带宽,需要的只是低延迟、低功耗;而如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术,将非常耗电,占用过多的计算和通信资源。为满足上述要求,ZigBee技术应运而生。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术,把低功耗、低成本作为重要目标,主要应用于低速传输,可以作为无线传感器网络的通信协议。

传感器节点是组成无线传感器网络的基本单元,是构成无线传感器网络的基础平台。ZigBee网络节点通常是一个微型嵌入式系统,完成数据的采集处理传送,是决定网络性能的重要因素。本文采用Freescale公司的Zig-Bee无线收发射频芯片MC13192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138,完成了无线传感器网络节点的设计,给出了软、硬件设计方案,并且在硬件基础上进行了结果分析。

1 ZigBee技术及其优势

ZigBee协议标准是由ZigBee联盟与IEEE 802.15.4的任务小组来共同制定的,其协议栈主要由5层体系组成,结构如图1所示。其中,物理层和MAC层标准主要由IEEE 802.15.4的任务小组完成;网络层和安全层由ZigBee联盟制定;应用层的开发则根据用户的应用需要对其进行开发,用户提供机动、灵活的组网方式。

ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务,特别是无线传感器网络,因为它具有以下优点:

功耗低。由于其传输速率低,发射功率仅为1mW,所以功耗很低;而且采用了休眠模式,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节五号电池就可以维持长达6个月~2年左右的使用时间。

时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备的时延为30 ms,休眠激活的时延为15 ms,活动设备信道接人的时延为15 ms。因此,ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制等应用。

网络容量大。一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备,一个区域内最多可以同时存在100个独立而且互相重叠覆盖的ZigBee网络。

安全可靠。采取了碰撞避免策略,避开了发送数据的竞争和冲突;采用完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息;还提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证。

基于以上特点与优势,ZigBee技术在无线传感器网络中的应用将有广阔的发展空间。

2 MC13192芯片与LPC2138芯片简介

MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee标准的射频芯片。其工作频率是2.405~2.480 GHz,该频带划分为16个信道,每个信道占用5 MHz的带宽;采用直接序列扩频的通信技术,数据传输速率为250 kbps。MC13192具有一个优化的数字核心,有助于降低MCU处理功率,缩短执行周期。为了适应低功耗的要求,芯片除了接收、发送和空闲3种工作状态外,还有3种低功耗运行模式:①掉电模式,这种模式下芯片电流小于1 μA;②睡眠模式,这种模式下电流在3μA左右;③休眠模式,这种模式下下电流约为35μA。芯片采用可编程功率输出模式,发送功率为0~4 dBm,接收灵敏度可以达到—92dBm,传输距离30~70 m。

LPC2138芯片是Philips公司推出的一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7微控制器。它具有丰富的片上存储功能,带有512 KB嵌入的高速Flash存储器和32KB片内静态RAM;还带有多个串行接口,2个8路10位A/D转换器,1个D/A转换器和47个GPIO,以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。LPC2138有两种低功耗模式:空闲模式和掉电模式。较小的封装和极低的功耗使其可以理想地与MC13192结合,作为基于Zig-Bee技术的无线传感器网络节点。

3 无线传感器网络节点设计

传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等功能模块组成,如图2所示。数据采集单元负责采集监视区域的信息并完成数据转换,采集的信息包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;数据传输单元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;电源管理单元选通所用到的传感器。

3.1 节点硬件设计

图3是节点的硬件原理图。电路外围元器件较少,主要包括6个模块:LPC2138 MCU模块、MC13192无线射频模块、电源模块、UART串口模块、JTAG接口模块和数据采集I/O模块。LPC2138和MC13192通过SPI总线连接。LPC2138的SPI接口工作在主机模式,是数据传输的控制方;MC13192设为从机模式。LPC2138通过4线SPI接口对MC13192的内部寄存器进行读写操作,从而完成对MC13192的控制以及数据通信。由传感器输出的模拟信号经过10位A/D变换后输入到LPC2138中,LPC2138将传感器采集的信号经过处理后通过MC13192发射出去。对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来,通过SPI传送到LPC2138上,经过其判断处理后通过GPIO口传送到传感器上,以实现对传感器的控制。MC13192芯片指定的晶振频率为16MFz,考虑到晶振对通信质量的影响,在制作PCB板时应将晶振的位置尽可能地靠近MC13192芯片的XTALl和XTAL2引脚。电源电路采用两种方式:一种是3.6 V干电池;另一种是钮扣电池,可以根据需要选用。

3.2 节点软件设计

按照硬件电路设计思路,软件采用模块化结构程序设计方式。软件模块包括:数据发送模块、数据接收模块、UART串口模块、LPC2138与MC13192连接的SPI模块、中断服务模块。系统软件编程的基本思路:先对SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口进行初始化;使能SPI端口、UART端口和A/D;初始化MC13192芯片;开启接收机后,即可运行任务程序,实现接收或发送数据。这里简要给出LPC2138与MC13192之间的SPI通信程序。发送和接收程序流程如图4和图5所示。





3.3 实验结果

图6为硬件节点实物图。该电路板经过仿真调试应用良好,可以实现多个节点问的通信;在实验电路板上设置了一个LED,可以通过灯的闪烁来指示信息接收的质量以及接收的成败;能够利用串行接口与计算机进行通信,并且可以通过JTAG接口电路进行程序的固化。初步的实验表明:通信距离基本达到预期目标,在空旷地带以最大功率传输,可以以较小误码率传输60多米。采用1节电压为3.6 V、容量为2 100 mAh的干电池供电时,节点连续工作的时问为3~4天。如果使得该节点始终工作在超低功耗的工作状态,则其工作时间可以超过1年,能够满足特定应用场合对电池寿命的要求。

结 语

经实验证明,以MC13192和LPC2138为核心构造的无线传感器网络节点,在功耗、传输距离以及无线传输速率等性能上都能满足应用要求。在此方案基础之上,通过移植ZigBee协议栈,可以构建ZigBee网络的网络层、应用层及安全层,再配以满足特定要求的传感器便可实现具体的应用网络。

关键字:传输  处理  采集  传送

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/RFID/200704/1893.html
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