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MCl3192无线传感器网络节点设计解析
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2017-11-04
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摘要 ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术，以低速率、低功耗、短距离而著称，是目前研究的热门技术。本文简要介绍了ZigBee技术体系结构与特点，以及基于ZigBee技术的无线传感器网络的主要优势；重点介绍了一种采用符合ZigBee技术的射频芯片MCl3192实现无线传感器网络节点的设计方案，井对系统硬件接口电路与无线通信软件流程作了说明。
关键词 ZigBee技术 无线传感器网络节点 MCl3192 LPC2138
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、处理和传送，是决定网络性能的重要因素。本文采用Freescale公司的ZigBee无线收发射频芯片MCl3192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、灵括的组网方式。
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，发射功率仪为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30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接人的时延为15ms。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。
关键词 ZigBee技术 无线传感器网络节点 MCl3192 LPC2138
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、处理和传送，是决定网络性能的重要因素。本文采用Freescale公司的ZigBee无线收发射频芯片MCl3192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、灵括的组网方式。
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，发射功率仪为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30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接人的时延为15ms。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。
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