基于ZigBee的无线监控系统传感器节点设计

中每次传送的数据都会触发数据采集节点的中断，并发送至基站。


3 传感器节点的设计及其在平台上的实现

3.1 硬件设计

3.1.1 传感器节点总体设计

传感器节点的控制和无线通信部分使用Jennic公司的集成化解决方案JN5139芯片。JN5139是IEEE 802.15.4和ZigBee低成本低功耗微控制器，集成了32位RISC处理器、完全兼容的2.4 GHz IEEE 802.15.4收发器、192 KB ROM、96 KB RAM以及丰富的模拟和数字外设。它在单芯片内集成了用于无线传感器网络的收发器和微控制器，具有成本敏感的ROM/RAM架构，能够满足批量应用的需要[4]。

各传感器单元之间及其与基站之间通过无线通信的方式传输，传感器节点采用2.4 GHz的免费频段。无线传感器网络由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成。传感器节点由功能模块(传感器、A/D转换器)、控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/DC能量转换器)组成。功能模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；控制模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；通信模块负责与协调器或路由器进行通信，交换控制信息和发送采集数据；供电模块为传感器节点提供运行所需的能量。由于数据采集节点的布置方式、定位方法、通信手段往往是相同的，仅仅是节点由于连接了不同类型的传感器或数据采集设备而导致节点感知能力的差异。因此，将测试单元设计成功能模块，并与控制和通信模块相连接就可以根据测试任务的需要对其方便地添加和删除。传感器节点总体设计图如图4所示。

3.1.2 SPI总线设计

节点中控制模块和各功能模块的控制器件都集成了SPI接口，他们的数据交互是通过SPI总线完成的。当基站发出命令时，节点中的控制模块进行判断并转发给功能模块，功能模块上报给基站的数据也需要通过控制模块进行仲裁并打包发送。

SPI可以作为主器件或从器件，并支持在同一总线上连接多个从器件和主器件。SPI接口包含1个从选择信号（SS），用于选择SPI为从器件；当SPI作为主器件时，可以用额外的通用I/O端口作为从选择输出。

只有SPI主器件能启动数据传输。当处于主方式时，向SPI数据寄存器写入1个字节将启动1次数据传输。SPI主器件立即在SPIMOSI线上串行移出数据，同时在SPISCK上提供串行时钟。在全双工操作中，SPI主器件在SPIMOSI线上向从器件发送数据，被寻址的从器件可以同时在SPIMOSI线上向主器件发送其移位寄存器中的内容。所接收到的来自从器件的数据替换主器件数据寄存器中的数据。2个方向上的数据传输由主器件产生的串行时钟同步。当SPI被使能而未被配置为主器件时，它将作为从器件工作。另1个SPI主器件通过将其SS信号驱动为低电平启动1次数据传输。主器件用其串行时钟将移位寄存器中的数据移出到SPIMOSI引脚。从器件可以通过写SPI数据寄存器为下一次数据传输装载它的移位寄存器。从器件必须在主器件开始下一次数据传输之前至少1个SPI串行时钟写数据寄存器；否则，已经位于从器件移位寄存器中数据字节将被发送。传感器节点中JN5139与外围功能模块基于SPI总线的连接关系如图5所示。

3.2 软件设计

传感器节点程序主要实现接收并转发基站的命令、与功能模块进行交互、上报功能模块采集到的数据等功能。在网络中，每个传感器节点都分配有地址，基站以广播的形式发送指令后，各个节点上的主控制器都对其进行解析，若地址与本节点相同，则进一步分析出功能模块的编号并通过SPI总线进行转发，功能模块在收到命令后，由协处理器进行再次解析，将指定数据上报。

3.2.1 建立ZigBee网络

建立1个网络首先需要对每1个设备IEEE 802.15.4协议栈的PHY和MAC层进行初始化，然后创建本网络的PAN Co-ordinator，每1个网络有且只能有1个PAN Co-ordinator，建立网络的第1个步骤就是选择并且初始化这个Co-ordinator。PAN Co-ordinator一旦初始化完成就必须为它的网络选定1个PAN ID作为网络的标识，PAN ID可以被人为地预定义，也可以通过侦听其他网络的ID然后选择1个不会冲突的ID的方式来获取。每1个PAN Co-ordinator设备都已经具有了1个唯一的、固定的64 bit IEEE MAC地址，通常称为扩展地址。但是作为组网的标识它还必须分配给自己1个16 bit的网络地址，通常称之为短地址。使用短地址进行通讯可以使网络通讯更轻量级且更高。这一短地址是预先定义好的，PAN Co-ordinator的短地址通常被定义为0x0000。

PAN Co-ordinator必须选择1个网络所建立的射频频率通道。它可以通过进行1次能量扫描检测来找到1个相对安静的通道。通过通道能量扫描检测，API将返回每一个通道的能量水平，能量水平高就标志着这个通道的无线信号比较活跃。接下来PAN Co-ordinator就可以根据这些信息选择1个可以利用的通道来建立自己的无线网络。

完成上述工作后，PAN Co-ordinator就将开放对于加入网络的请求应答。一旦网络中出现了可以利用的Co-ordinator，其他的网络设备就可以加入网络了。1个准备加入网络的设备在完成初始化之后，需要通过频道扫描找到PAN Co-ordinator，并在特定的频率通道中发送信标请求。当PAN Co-ordinator检测到信标请求后，Co-ordinator将回应相应的信标来向设备标识自己，既而判断是否有足够的资源接受新的设备，并且决定是否接受和拒绝设备加入网络。如果PAN Co-ordinator接收了设备，它将发送1个16 bit的短地址给设备，作为设备在网络中的标识[5-6]。ZigBee网络的建立过程如图6所示。