摘要：ZigBee无线传感网络在家居、工业、医疗等领域应用的发展暗示着它已经成为一种新的技术趋势。本文提出一种基于ZigBee技术的无线传感器网络：为了快速构建自己的无线通信网络，以CC2530芯片为核心构建了一个无线传感网络；为了降低每个传感器节点的功耗，同时延长传感器节点的寿命，提出传感器节点在低功率监测信道和定时周期性唤醒机制下工作，在满足网络应用的前提下尽可能地延长网络寿命，实现能源的智能供给的理念。该理念将各种节能技术在服务的层面上综合考虑，贯穿于应用解决方案的各个环节，为传感器网络节能需求发展和应用解决方案提供理论上的支持。
关键词：ZigBee技术 CC2530 Mcp2030 AS3932 无线网络 冗余节点休眠
中图分类号：TP212.9；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0097-03
1、引言
运用唤醒技术的无线传感器系统是由大量低成本低功耗的具有传感计算与通信能力的微小节点构成的资质网络系统，是能根据环境自主完成各种监测任务的智能系统。由于其具有自组织，成本低，构建灵活等特点，使得在军事，汽车电子，工业控制，环境监测，医疗卫生，智能居家等领域有着很好的应用前景。由无线传感器节点构成的无线传感器网络综合了嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣。而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。本文就此提出了采用Zigbee技术，以CC2530为主芯片的唤醒机制。在网络节点有些模块不工作或者处于休眠状态时，系统就可以将其供电电路断开以节约用电，当有指令将节点唤醒时，则接通节点供电电路，以保证系统的正常工作。这样便可有效节约电能，延长电池的供电时间和使用寿命，同时也保证了整个网络系统的工作质量。
2、基于唤醒技术的无线传感网络的总体设计
基于唤醒技术的无线传感器网络主要由125k低频信号天线，唤醒电路（核心：低频唤醒接收器MCP2030，AS3932），工作器件（核心：主处理器CC2530或者MSP430）。
其系统总体框图如（图1）：
3、传感器电路系统
模拟器测试下，我们的唤醒技术在传感器电路系统应用中有如下特点：
（1）拥有多种节能工作模式；
（2）低功耗；
（3）三方向磁场信号检测接受；
但是在唤醒技术的应用中仍存在不足：
（1）节点附带电源，会使传感节点的使用环境存在局限；
（2）低频信号的覆盖范围需要300ppm以上才能有实际的唤醒意义，这意味着信号收发需要更长的天线，不利于实际使用。
由于单个节点能量有限且易受攻击，无线传感器网络的节点通常采用高密度布散，利用冗余提高监测数据的正确性和系统运行的可靠性。大部分传感器感知模型基于布尔感知模型[1]，即只有当目标在传感器节点的感知范围内时，才能被该传感器的节点所监测到。传感器的感知能力会随着与信号源之间的距离的增大而衰减。
4、基于Zigbee技术的信号收发单元
ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术[2]。Zigbee技术是一种新型的应用于短距离范围内，低速率传输的无线通讯技术，主要具有功耗低，成本低，数据传输可靠，网络容量大，兼容性好等特点。
本文主要从两个方面考察了Zigbee技术的低功耗特点：
（1）为了增加ZigBee无线传感器网络的容量及解决传感器网络中重要的能源供给的问题，对ZigBee传感器网络核心通信部分———ZigBee汇节点和传感器节点之间的通信，采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以大大节省传感器节点的功耗，减少信息上报时的碰撞概率，延长网络的寿命。本文将Zigbee技术的工作原理绘制如（图2）：在传感器节点的检测电路检测到其所在的环境参数发生变化时，由传感器节点中的ZigBee通信传输模块对信息进行简单处理后，主动发起连接，将处理后的信息继续传送。
（2）工作模式情况下，Zigbee技术本身由于传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间相对较短，通信距离短的情况下工作状态的耗电约为30mW，；在非工作模式时，Zigbee节点由于工作的时间较短、收发的信息功耗较低且采用了休眠模式，使得Zigbee节点在休眠状态下耗电量仅仅只有1 W[3]，Zigbee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。这就降低了更换电池的难度。
5、基于MCP2030，AS3932的唤醒控制单元
5.1 MCP2030芯片
唤醒控制单元采用的是Microchip公司开发的专门针对低频无线磁场通信的模拟前端器件MCP2030。该器件集成有8个可编程配置寄存器和1个只读状态寄存器，根据寄存器配置，MCP2030可以输出解调数据、载波时钟和磁场强度RSSI。该器件模拟接收电路具有较强的灵敏度，可以接收识别1 mVpp信号并解调8%的微弱调制信号。为了得到可靠的磁场信号，MCP2030采用了3组天线和3组接收解调电路。3组天线分别指向互相垂直的X、Y、Z轴，这样无论接收器如何放置，总可以得到磁场信号，从而解决了磁场信号的方向性问题。其结构框图如（图3）所示。
MCP2030集成了无线信号数字序列滤波部件，可以根据需要设定数字序列，器件只有当接收到特定数字序列时才做出响应，所以可有效避免其他信号干扰所引起的激活现象。图3所示为无线数字序列符合设定数字序列的情况，特定的数字序列为“2ms有2ms无”载波信号，此时LFDATA在监测到特定序列之后输出的ASK调制信号，如果无线数字序列不符合设定数字序列，LFDATA无输出。 MCP2030具有功耗极低的显著优势，为便于在自备电源的嵌入式系统中应用，专门设计优化了3种工作模式，即休眠模式、待机模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令进行控制[4]，进入休眠之后，除寄存器、存储器和SPI功能电路之外，包括RF限幅器在内的所有电路都将关闭，以使消耗的电流最低（0.2μA），需要用上电复位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令将器件从休眠模式唤醒；当天线输入没有LF信号时，器件将自动处于待机模式，但器件内部各部分电路已上电并准备接收输入信号，待机模式下电流消耗的典型值为4μA[5]（3个接收天线工作）；当在LF天线输入上有LF信号且内部电路随接收的数据而进行切换时，器件处于低电流工作模式，该模式下电流消耗仅为13μA[5]。本文所演示的设计方法利用Mcp2030的这些优点，将能耗降到最低。
5.2 AS3932芯片
奥地利微电子公司推出全新的3通道、低功耗、低频唤醒接收器AS3932，能以目前业界低功耗提供极佳的灵敏度，扩展了旗下射频产品系列。通过对功耗、灵敏度和可编程性的全面优化，支持广泛应用的125kHz频段，适用于各类应用。AS3932的主要目标应用包括高价值资产跟踪、实时定位系统、操作员识别、接入控制或无钥门禁等。
本文对该芯片的优点特性做了如下总结：
（1）3个独立的接收通道；
（2）可检测来自任意方向的唤醒信号；
（3）模式数据可以在寄存器内编程设定；
（4）可防止错误唤醒；
（5）灵活的数据流管理；
其结构图如（图4）；
本文设计的产品利用AS3932的低功耗、高效率、高精确度的特点，用该芯片接收125kHz的唤醒信号，并唤醒电路，使其正常工作，从而实现能源的智能供给。
6、基于CC2530的信号处理单元
CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的片上系统。集成了增强型8051内核。结合，I’I Z—STACK协议栈可方便的组建自己的无线通信网络。
CC2530有四种不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分别带有32/64/128/256KB的闪存空间；它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器，8 KB的RAM和其他强大的支持功能和外设。
主要特点：
（1）高达256kB的闪存和20kB的擦除周期，以支持无线更新和大型应用程序；
（2）8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用；
（3）可编程输出功率达+4dBm；
（4）在掉电模式下，只有睡眠定时器运行时，仅有不到1uA的电流损耗；
（5）具有强大的地址识别和数据包处理引擎。
本文的所提及的设计采用CC2530对来自被唤醒工作节点的信息进行运算处理，在主芯片中进行信号的分析与处理并且控制实体完成相关任务。由于CC2530功能强大且经济低功耗，符合本文绿色环保的设计理念。
7、结语
首先对无线传感节点进行深入的研究，熟悉掌握节点设计的要求，在节点安装一个唤醒控制电路，从而使节点有听从信号指令适时休眠或工作的功能。节点通过自组织构成了的网络能够运用于大型化的超市管理、农场智能灌溉，及道路汽车信息采集等方面，实现节能效果的同时也具有很强的实用性和稳定性。
参考文献
[1]Tian D and Georganas N D.A coverage-preserving nodescheduling scheme for large wireless sensor network[C].Proc.1st ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications （WSNA’02），Atlanta，Geogia，USA，September，2002： 32-41.
[2]LEW IS F L.Wireless SensorNetworks[J].Proceedings of INFOCOM.2003，3：1710～1723.
[3]张正军，浅析ZigBee技术.工程技术报，2006（4）：6～7
[4]Microchip Technology Inc.MCP2030 Datasheet，2006.
[5]Microchip Technology Inc.Low Frequency Magnetic Transmitter Design，20071029.
