CN101102242A

CN101102242A - 基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点

Info

Publication number: CN101102242A
Application number: CNA2007100702432A
Authority: CN
Inventors: 陈积明; 缪迪; 曹向辉; 孙优贤
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2008-01-09

Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点。包括射频板和主板，射频板包括CC2420无线通信芯片和天线，CC2420无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接；主板包括Atmega128L微处理器芯片，外部flash存储器、电源和LED灯、接插件、电平转换芯片，Atmega128L微处理器芯片分别与外部flash存储器、LED灯、51脚I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。主板进行数据处理以及和上位机、传感器板的数据传输。射频板是无线收发数据。两板通过接插件连接，电源模块为两板提供能量。本发明的无线数据传输采用ZigBee协议。还设计了多种通道，供节点和上位机之间进行数据传输。

Description

基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及无导线电气线路表征的信号传送装置，尤其是涉及一种基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点。

背景技术

随着半导体、计算机、通讯等信息技术的飞速发展，我们已经由PC时代和网络时代，进入后PC时代，在这样的一个时代背景下，无线传感器网络作为信息技术研究的一个重要方向，逐渐成为计算机科学研究中最具活力的领域，具有广阔的应用前景。它综合了传感器、微机电系统(MEMS)、无线通信和分布式信息处理等四大技术，使网络虚拟世界和物理世界实现了信息流的交互。可以预见，在不久的将来，无线传感网络将改变人与自然界的交互方式，给我们的生活方式带来革命性的变化。因此，无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。2003年2月份的美国《技术评论》杂志(《Technology Review》))评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。简单的说，无线传感器网络是由大量的具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，目的是实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，并对这些信息进行处理，然后传送给需要这些信息的用户。传感器网络分布式处理的特点带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控、可快速构建、部署方便等众多优点，不易受到目标环境的限制，特别适合布置在电源供给困难的区域或人员不易到达(环境恶劣地区、敌军阵地等)的区域，这些优点使其能广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，其节点既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。节点以Ad-hoc方式将数据向网关发送，再与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等等。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。用节点中的传感器测量所处外部环境的各种信号，从而探测出众多物质现象，实现对所处环境的监测。目前，无线传感器网络还存在诸多需要解决的问题：节点的工作时间有限，导致整个网络的寿命较短；数据传输的安全性得不到保证；节点的数据处理能力不强，数据包传输时丢失率较高等等。而且目前的无线传感器网络节点的可扩展性和兼容性不强，其相应的配件价格较贵，导致其应用范围有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点，包括射频板和主板，射频板包括CC2420无线通信芯片和天线，CC2420无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接；主板包括Atmega128L微处理器芯片，外部flash存储器、电源和LED灯、接插件、电平转换芯片，Atmega128L微处理器芯片分别与外部flash存储器、LED灯、51脚I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。

所述的微处理器Atmega128L的外围电路，其10～13脚为SPI口和CC2420无线通信模块进行数据传输，每个SPI接口都连接一个电阻，第8，17，29，31脚也和CC2420无线通讯模块相连接， 23和24脚接主时钟晶振7.3728MHZ，18和19脚接32KHZ的辅时钟晶振，49，50，51三个脚接LED灯，54～61脚是8通道的ADC，28，29，48三个脚和flash存储器连接，2，3两脚和电平转换芯片连接。

所述的无线射频芯片CC2420的6，7，8脚通过阻抗匹配电路和天线相连接，5脚和9脚和地相连接，27～34脚都是和微处理器相连接，37，38脚接16M的晶振，41，42，43是芯片内部的电压调整器。

本发明具有的有益效果是：

1.无线通信模块采用全球首款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发芯片CC2420，节点间的数据通信采用ZigBee协议。

(1)节点工作时，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，采用ZigBee技术后，将大大降低能量消耗，提高节点和网络的寿命。

(2)ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，保证节点间传输的数据不被窃听。

(3)ZigBee采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

2.节点采用模块化设计，将射频板和主板分离开，通过标准接口自由组合，进行数据传输。因为在不同的应用场合对节点的能耗、采样率、响应时间和数据处理能力都有不同要求，节点应可以按照功能拆分成多个组件，组件之间可以通过标准接口自由组合。这样，在不同的应用场合下，选择不同的组件自由配置系统就可以满足要求，不必为每个应用都开发一套新的硬件系统，这也有助于控制成本。同时，模块化设计也有效的减小了节点的体积。

3.多种数据传输通道的设计，给了用户多种程序下载和数据上传的选择。可以通过JTAG下载程序，通过三脚的串口和上位机传输数据，也可以通过51脚I/O接插件下载程序和传输数据。节点和市场主流的传感器板和编程板兼容。而且和无线传感器专用操作系统Tinyos兼容。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。

图2是本发明的微处理器Atmega128L外围电路原理图。

图3是本发明的无线射频芯片CC2420外围电路原理图。

图4是本发明的51脚连接器的原理图。

图5是本发明的电平转换和串口的电路原理图。

图6是本发明的其它部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，描述了节点的整体的结构组成。从物理结构上，分为主板和射频板。主板主要是数据的处理以及和上位机、传感器板的数据传输。射频板用来无线发送和接收数据，和网络中其它节点进行通信，组成网络。

如图2所示，是微处理器Atmega128L外围电路连接。其中10～13脚为SPI口，通过这个SPI口和无线通信模块进行数据传输。每个SPI接口都连接一个电阻，这个有消除干扰的作用。第8，17，29，31脚也和无线通讯模块相连接，控制其数据传输和工作状态。23和24脚接主时钟晶振7.3728MHZ。C35和C36两个电容用来配合晶振的工作。18和19脚接32KHZ的辅时钟晶振。在正常工作状态下，采用主晶振的时钟，当ATmega128L进入休眠状态时，采用低的时钟晶振，从而降低能耗。49，50，51三个脚接LED灯。这三个指示灯可以指示节点的工作情况，也可以用来观测程序在节点上的运行。54～61脚是8通道的ADC，接受传感器板发送过来的数据。28，29，48这三个脚和flash连接，用来控制flash存储器以及和存储器之间的数据传输。

如图3所示，，无线射频采用全球首款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发芯片CC2420。CC2420的6，7，8脚通过阻抗匹配电路和天线相连接。5脚、9脚和地相连接，起隔离的作用，用来保护射频。27～34这些脚都是和微处理器相连接，进行数据交换和接受控制。37、38脚接一个16M的晶振，提供工作频率。41，42，43是芯片内部的一个电压调整器。输入3V电压，输出1.8V电压。41脚是调整器的使能，由Atmega128L控制，给高电平后，调整器开始工作。43脚是3V电压的输入，42脚是1.8V电压的输出。芯片很多管脚的工作电压是1.8V，需将这些管脚与42脚连接起来。

如图4所示，描述了51脚连接器的连接情况，51脚的连接器用来和传感器板和编程板连接，使节点和市场主流的传感器板兼容。通过这个连接器，微处理器可以和传感器板进行数据交换，并控制传感器板的工作。

如图5所示，U4的11，12脚和微处理器的2，3脚相连接。微处理器提供的是TTL电平的串口接口，通过U4的电平转换后，就可以和PC机的RS232连接。方便了节点和PC机的数据传输。

如图6所示，描述了节点其余的部件。D1～D4是LED指示灯。D2～D4如前所述，是工作指示灯，D1是电源指示灯。U3是flash存储器，采用AT45DB041.其中1，2，4，8脚和Atmega1281L连接，1脚和8脚是数据的传输。2脚是输入的时钟信号，4脚是片选。J1是电源，S1是一个三角的电源开关。考虑到成本，这里从简设计。3V电源和1.8V电源都通过一系列的的并联电容接地。这些大小不等的电容用来消除各种频率的干扰。J6是12口的标准接口，微处理器就是通过这个接口和无线通信模块连接的。除了前面所述的8个管脚，1脚接电源，2脚接地。3脚是接CC2420的复位脚，4脚接CC2420芯片的电压调整使能接口41。这两个脚都由微处理器控制。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1、基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点，其特征在于：包括射频板和主板，射频板包括CC2420无线通信芯片和天线，CC2420无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接；主板包括Atmega128L微处理器芯片，外部flash存储器、电源和LED灯、接插件、电平转换芯片，Atmega128L微处理器芯片分别与外部flash存储器、LED灯、51脚I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。

2、根据权利要求1所述的基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点，其特征在于：所述的微处理器Atmega128L的外围电路，其10～13脚为SPI口和CC2420无线通信模块进行数据传输，每个SPI接口都连接一个电阻，第8，17，29，31脚也和CC2420无线通讯模块相连接，23和24脚接主时钟晶振7.3728MHZ，18和19脚接32KHZ的辅时钟晶振，49，50，51三个脚接LED灯，54～61脚是8通道的ADC，28，29，48三个脚和flash存储器连接，2，3两脚和电平转换芯片连接。

3、根据权利要求1所述的基于ZigBee的模块化无线传感器网络节点，其特征在于：所述的无线射频芯片CC2420的6，7，8脚通过阻抗匹配电路和天线相连接，5脚和9脚和地相连接，27～34脚都是和微处理器相连接，37，38脚接16M的晶振，41，42，43是芯片内部的电压调整器。