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摘要：集成了传感技术、计算机技术、通信技术的无线传感网络成为无线通信领域研究的热点，低速率、低功耗的ZigBee技术的出现为其发展提供了契机。介绍了ZigBee网络的结构，分析了2.4 GHz的射频收发芯片MC13193的特点和性能，并应用MC13193及相关微控制器、传感器件设计了ZigBee无线传感网络。 1 引言
传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN) 的产生和发展。无线传感网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，正成为目前一个热点研究领域。美国商
业周刊和MIT技术评论分别将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。
IEEE 802.15.4标准是针对无线个人区域网络(Low-rate Wireless Personal Area Network，LRWPAN)制定的标准，旨在为低功耗的设备提供有效覆盖范围在10 m左右的低速无线连接，无线传感网络是其主要市场对象。ZigBee协议以802.15.4标准的物理层和MAC(Medium Access Control)层为基础，增加了逻辑网络、安全性和应用软件，可以实现大区域的网络覆盖和网络扩展。ZigBee技术主要应用于工业自动化、农业自动化、家庭智能控制、医疗设备控制、消费类电子产品等领域。
MC13193是Freescale公司推出的短距离、低功耗、工作在2.4 GHz的射频收发芯片，他包含了IEEE802.15.4协议的PHY和MAC层，自带ZigBee协议堆栈，为开发无线传感网络提供了方便。 2 ZigBee网络结构
2.1 ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee网络一般有星型、对等型和混合型3种拓扑结构，其中对等型网络又可以分为簇树型网络和点对点型网络。在星型网中，一个功能强大的主节点作为网络协调者，位于网络的中心，其他的节点分布在其覆盖范围内。对等网是由功能相似的节点连接在一起形成的，星型网和对等网相结合则形成了混合网，各个子网内部以星型连接，其主节点又以对等的方式连接在一起。
2.2 ZigBee网络的设备
ZigBee网络定义了两种物理设备，全功能设备(Full Function Device，FFD)和简化功能设备(Reduced-Function Device，RFD)。全功能设备支持各种拓扑结构，具有IEEE 802.15.4规定的所有功能及此标准所规定的所有特性，具有足够的存储容量和计算能力来在网络中作为网络协调器工作，当然也能作为端点设备。简化功能设备功能受限，仅支持星型拓扑结构，作为端点设备与网络协调器对话，不能作为网络协调器。 3 MC13193特点及其应用
3.1 MC13193性能特点
MC13193包含低噪放大器，10 mW 的功率放大器，压控振荡器，片上电源供给调节单元，全扩频编解码单元，以及用来转换和控制数据的接收和发射的串行外围接口(SPI)和中断请求输出。采用O-QPSK的调制方式，最大传输速率为250 kb／s。配合合适的微处理器使用，MC13193提供了低成本高效率的短距离数据链路及网络解决方案。
MC13193的主要特点有： - 根据IEEE802.15.4标准设计，采用ZigBee技术；
- 全频谱编码和译码；
- 经济高效的CMOS设计几乎不需要外部组件；
- 可编程的时钟，供基带MCU 使用；
- 标准的4线SPI(以4 MHz或更高频率运行)；
- 扩展的范围性能；
- 可编程的输出功率，通常为0 dBm；
- 超低功率模式；
- 7条GPIO(通用输入／输出)线路。
3.2 MC13193的数据传递方式和分组结构
MC13193有两种数据传递方式：
数据分组模式 数据在片上RAM 中缓存，以分组的形式发送与接收；
数据流模式 数据以字为单位进行处理，然后发射和接收。
图1所示是MC13193的数据分组结构，支持多达125 B的数据组，MC13193在数据组前添加了4 B的引导序列(Preamble)，1 B的帧开始定界符(SFD)，以及一个帧长度指示符(FLI)，并计算出2 B的帧校验序列(FCS)添加在数据组之后。
3.3 数据的接收与发送流程
3.3.1 数据接收
射频输入通过两级的下变频处理转化为中频同相正交(In-phase and Quadrature，I&Q)信号，然后基于一个特殊时间问隔上合成的基带能量进行空闲信道评估，并由数字终端执行片上差分检测，再由相关器分离出直接序列扩频(DSSS)偏置四相相移键控(O-QPSK)信号，最后判决出符号和信息分组，检测数据。引导序列、SFD 以及FLI用来检测储存在RAM 里的数据组和FCS，通过接收的数据计算出两比特的FCS并与数据组后面的FCS进行比较，产生CRC 校验结果，判决数据传输正确与否。MC13193工作在数据分组模式时，数据作为整个分组进行处理，并在整个分组接收完毕后通过中断告知MCU；工作在数据流模式时，以字为单位接收数据并通过中断告知MCU。
3.3.2 数据发送
工作在数据分组模式时，芯片首先将储存在RAM 中的待发送数据取出，然后将其转化成802.15.4的物理层规定的分组格式，并经过扩频、上变频处理将其调制到发送频率，调制后的待发送数据分组被装入发送缓冲器中，接着芯片接收MCU命令发送数据分组，并在整个分组完全发送成功时以中断形式通知MCU。
工作在数据流模式时，芯片先通过SPI接口将发送的数据时钟定时，然后进行扩频、上变频处理，接着以字为单位发送调制后的数据，每发送完一个字芯片通过中断通知MCU可以发送下一数据，这样直到整个数据发送完为止。
3.4 MC13193与MCU 的通信
MCU与MC13193的接口由SPI接口以及中断请求线实现，MCU控制MC13193检测状态及数据的读写，MC13193是SPI接口的从设备。MCU和芯片在SPI时钟中一个8 b的脉冲周期完成一次数据处理(图2)。
MC13193的SPI接口包括4条I／0线：芯片使能(CE)是一个可选逻辑控制信号，低电平有效，他由MCU 发送到芯片，通知信道已经激活，芯片可以向MCU发送数据。SPI时钟输入(SPICI K)是由MCU 驱动，主从设备均在归零的SPICLK的下降沿接收数据，在时钟的上升沿发送数
据。主进从出(MISO)是一根由芯片驱动并由MCU接收的数据线。主出从进(MOSI)是一根由MCU 驱动并由芯片接收的数据线。
SPI接口以主从设备的方式工作。在SPI系统中，主设备的8位的数据寄存器，与从设备的8位数据寄存器连在一起组成了一个分布的16位寄存器。当数据传送操作执行时，16位的寄存器通过SPICLK时钟串行移动8 b位置，数据高效地在主设备和从设备之问交换，写进主设备数据寄存器的数据发送到从设备，写进从设备数据寄存器的数据发送到主设备。 4 ZigBee无线传感网络设计
4.1 ZigBee无线传感网络的结构组成
ZigBee无线传感网络是基于ZigBee协议的无线传感网络，他是ZigBee协议与传感技术的结合。将ZigBee运用到无线传感网络中主要是基于ZigBee在低功耗、低成本方面的优势。通常，符合下列条件之一的应用都可以考虑采用ZigBee：设备间距较小；设备成本很低，传输的数据
量很小；设备体积很小，不容许放置较大的充电电池或电源模块；只能使用一次性电池，没有充足的电力支持；无法频繁更换电池或反复充电；需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于监测或控制。在无线传感网络中，一般传感器节点体积较小，成本较低，并且经常分布在人迹罕至或者环境恶劣的地方，不可能附带体积较大的供电模块或者频繁更换电池，并且节点的功率、计算能力和数据存储能力都有限，这种情况下ZigBee就有了用武之地。可以说ZigBee的出现将把无线传感网络带入了一个全新的领域。
基于ZigBee协议的ZigBee无线传感器网络主要包括：信息处理中心、协调节点和传感节点(图3)，其中主要是网络中协调节点及传感节点的设计。网络采用星型拓扑结构，网络中有少量的协调节点，每个协调节点的周围又有若干个传感节点，一个协调节点以及他周围的传感节
点组成微微网。协调节点是功能强大的全功能设备(FFD)，传感节点则是精简功能设备(RFD)。传感节点只能与协调节点通信，不能与其他传感节点通信。
4.2 网络节点设计
节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。节点采集信息、融合并传送数据，节点中的电源模块负责节点的驱动。节点的设计在不同应用中各不相同，但其基本原则是采用尽量灵敏的传感器，尽量低功耗的器件、尽量节省的信号处理和尽量持久使用的电源。节点中的传感、数据处理、通信及电源各模块技术的进步对节点技术的发展都有着深刻的影响。
4.2.1 传感节点的设计
ZigBee无线传感网络的传感节点的主要功能是检测环境并控制传感单元采集周围的环境数据，然后发送给上一级的协调节点，由于其不需要进行复杂的数据处理，因此配置不需要太高，内存也不需要太大。在传感节点的设计中主要考虑功耗、数据安全以及数据发送的碰撞问题。
在降低功耗方面，传感节点具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。在安全方面，基于ZigBee技术，采用了密钥长度为128 b的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，保证了非法侵入，维护网络数据安全。在减少数据发送的碰撞方面，采用睡眠唤醒机制。在外界环境不发生变化的时候，传感节点处于睡眠状态，在环境发生变化时，通过检测电路检测到变化，触发传感节点中MCU 的I／O 中断激活节点，通过传感单元采集外部环境数据，送给协调节点做进一步的处理。在一个时间段上90 以上的节点处于睡眠状态，这样既降低了功耗，又减少了传感节点发送数据给协调节点时发生碰撞的概率。
传感节点的硬件结构由数据采集、数据处理、数据传输及电源4部分组成(图4)。数据采集部分主要负责信息的采集并将温度、湿度等物理信号转变为数字信号，包括温度、湿度等传感器件和A／D转换；数据处理部分完成对采集到的信号进行所需的处理，采用了微控制器MC9S08GT60，8位的MCU，内带64 k的FLASH 和4 k的RAM；数据传输部分负责发送数据，即通信的物理实现，采用射频收发芯片MC13193；电源为其他3个部分提供能量。
4.2.2 协调节点的设计
ZigBee无线传感网络中的协调节点接收传感节点发送的环境数据，并将其进行融合处理，然后传递给信息处理中心，并且接收信息处理中心的控制信令发送给传感节点，实现信息处理中心对传感节点的间接、实时地监控和数据采集。协调节点由数据传输数据处理和两部分组成，数据传输部分同样采用射频收发芯片MC13193，由于协调节点对MCU的处理能力和存储能力都比终端节点要求高，数据处理部分采用了Freescale的16位的MCUMC9S12DT256B，内带256 k的FLASH，12 k的RAM 以及4 k的EPROM。 5 结语
ZigBee无线传感器网络的实现基于低速率、低功耗的的ZigBee技术和无线传感技术，具有很大的应用价值。ZigBee无线传感器网络核心器件使用Freescale公司的射频收发芯片MC13193和MC9SO8GT系列的MCU。由于终端节点在环境没变化时处于睡眠状态，因此网络的功耗
较低，采用电池供电的节点可以保持正常工作。网络时延很短，只有15～30 ms，因此节点传输数据发生碰撞的概率非常小，网络的吞吐量较高；采用AES-128加密算法，保证了网络的安全性。
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