基于IEEE802.15.4的无线智能家庭传感器网络研究与设计

【中心议题】

• 介绍了IEEE802.15.4协议
• 提出了一种基于IEEE802.15.4的无线智能家庭传感器网络

【解决方案】

• 采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和Linux操作系统
• 通过网关上的无线IEEE802.15.4模块与网络中各子节点进行通讯

近年来，无线组网技术发展迅速，其中IEEE802.11标准的发展从1-2 Mbit/s的数据传输率发展到802.11a和802.11 g的54 Mbit/s，数据传输率得到大幅度提高.但由于其所需要的硬件设备能耗较大，成本较高，因此不适合在家庭、办公等小范围的应用，而采用有线系统对电子娱乐设备、网络家用电器设施、家庭服务设施等的控制同样具有高成本、高能耗的缺点，因此如何采用短距、低耗、低速率的无线网络协议在这些小范围场所中的应用成为目前具有非常重要实际应用价值的课题.本文针对IEEE802.15.4的标准如何实现家庭智能管理中的应用，提出了一种有效的解决方案.利用无线传感器所具有的自组网技术将电脑、家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连，形成一种新型的无线网络系统，以实现数据共享与资源管理.同时通过广域互连网接口与外界进行信息交互，实现用户对家庭设备的远程控制.

1 IEEE802.15.4协议简介

IEEE 802.15.4是一种适合于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线局域网协议.其协议架构如图1所示.

从图1中可以知道，这种协议架构定义了单一的MAC层和多样的物理层，MAC层以上协议由IEEE802.15.4协议套件组成，包括高层应用规范、应用会聚层、网络层组成.而其物理层规定了在868MHz(欧洲)，915 MHz(美国)，2.4 GHz(全球)的免授权(JSM)频段上的共27个信道.由于802.15.4协议所要求的无线传感器网络节点具有：a.省电：两节5号电池可使用长达6个月到2年左右的时间；b可靠：采用了碰撞避免机制；c.成本低；d.时延短；e.网络容量比较大：一个IEEE802.15.4网可以容纳多达216个器件；f.安全：IEEE802.15.4提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性，因此可以实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安(监控)装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成现实.

2系统设计与实现

2.1系统整体设计

用户对家庭网络产品的安放位置在一定程度上也影响家庭网络的拓扑和连通性.因此，根据家庭网络具有时变和随机的网络拓扑的特点，此套系统的无线网络层依照国际性IEEE802.15.4标准进行设计，能够满足智能家庭网络拓扑随时发生变化、自行组织和自动重建的要求.自组织和重建的过程既可由家庭网关实现，也可以由网络中的传感器节点完成，其网络拓扑如图2所示.

本文设计的智能家庭无线传感器网络系统实现了信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安(监控)装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成了现实.硬件部分主要是指镶嵌在各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元以及通用遥控器中的无线网络模块，是家庭无线网络中最基本和最重要的单元.无线模块是真正的TX/RX接收发射机，具备同无线网关实时交互数据的功能，可以与无线网关进行网络无缝连接通讯.本系统以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯IEEE802.15.4子节点模块.在家庭网关和每个子节点上都接有一个无线网络收发模块(符合IEEE802.15.4技术标准的产品)，通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送.系统软件采用嵌入式Linux作为操作系统，在其上开发应用软件(本文只涉及底层软件设计流程).

2.2各部分的结构及功能

家庭网关的结构及功能为：

a.采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和Linux操作系统；

b.通过门锁进行自动设防/解防；

c.遇抢劫或疾病，按紧急按钮，自动向管理中心报警；

d.每家每户配有自己的网页，通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据；

e.水、电、气各表数据发给物业管理中心；

f.通过以太网与小区管理中心通讯；

h.通过网关上的无线IEEE802.15.4模块与网络中各子节点进行通讯.

2.3 IEEE802.15.4无线通讯子节点的功能

a.两路脉冲量数据采集，可采集水、电、气三表数据；

b.两路安防传感器开关量数据采集，可进行设防/撤防报警、安防报警(红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等)；

c.一路模拟量数据采集；

d.一路模拟量数据输出；

e.一路继电器触点输出；

f.通过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯.

2.4方向位

根据主节点作为通讯发送者还是接收者，本系统功能可分为两大类：上行和下行.方向位决定了这一点.

2.5数据类型

数据信息与功能编码关系十分密切，根据功能不同，数据场中数据的内容含义不同；根据数据长度不同，数据类型也不同.

2.6功能类型

每一个功能类型对应一种系统功能.通过解析功能类型编码可得到系统功能，对于下行帧，子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据；对于上行帧，主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况.

数据信息存放数据，数据信息长度可根据功能编码中的数据类型而定.

3无线节点硬件设计

无线网络节点硬件组成如图3所示，采用TI公司的16位单片机MSP430F1232作为处理器，采用符合IEEE802.15.4标准的无线网络收发模块建立无线通讯,采用RAMTRON公司的铁电存储器FM24LC16存储数据，开关量输出使用松下公司的磁保护继电器TQ2L2-3V，PWM输出放大器采用MAXIM公司的MAX4464.使用锂离子纽扣电池供电，通过采用TI公司的电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V.无线子节点通过查询8位拨码开关确定其功能，可以实现两路脉冲量的计数、两路开关量的输入、两路开关量的输出、一路模拟量的输入、一路模拟量的输出、电池电量采集无线通讯等功能.

4无线节点软件设计

鉴于节点使用的通用性要求，需要上电后根据拨码开关确定子节点及其所要完成的功能，包括数据采集和存储、报警信息的获取、设防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送.根据拨码开关的状态确定节点需要完成的其中一项或几项工作，并调用相应的初始化程序.由于无线通讯模块的功耗较大.CPU大部分时间都处于休眠状态，通过各级中断唤醒CPU和恢复无线通讯模块的正常工作.数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通讯协议.

系统主程序流程图如图4所示.系统上电后，先关闭看门狗定时器,开关电源进入SNOOZE节能状态,同时关闭无线通讯模块电源,进行I2C接口的初始化,读取拨码开关状态，并根据拨码开关的状态进行单片机通用I/O口的初始化，以确定其作为脉冲量输入端口还是开关量输入端口，或是撤防设防输入端口.其中，若作为脉冲量输入端口，则调用相应脉冲量初始化程序，设置其端口为上升沿触发；若作为开关量输入端口，则调用相应开关量初始化程序，设置其端口为下降沿触发；若作为撤防设防输入端口，则调用设防撤防初始化程序，当前端口状态为设防状态时，进行撤防初始化，设置其端口为上升沿触发.当前端口状态为撤防状态时，进行设防初始化，设置其端口为下降沿触发.

端口初始化结束之后，进行串行通讯UART接口初始化，打开UART接收中断使能，使其能响应网关发送给子节点的命令.定时器连续工作在计数模式，打开计数器溢出中断使能.

单片机各部分初始化结束后，进入LPM3休眠模式，只有ACLK始终保持工作，因此在串行通讯UART和定时器初始化中,将其工作时钟定义为ACLK是十分重要的,否则进入LPM3休眠模式后，串口和定时器将停止工作和相应中断.进入LMP3休眠模式后，系统的功耗最低.

系统可响应I/O中断，当其作为脉冲量输入端口时，脉冲量上升沿触发中断，经过去抖处理后，脉冲量计数增1，遇到进位时，调用函数处理进位.

最后将计数值写入FRAM，进入LPM3休眠模式.当其作为开关量输入端口时，开关量下降沿触发中断，停止计数器计数，打开电源，打开串行通讯，重复发送报警信息，直到收到网关应答信息时才停止报警，恢复定时器计数，进入LPM3休眠模式.数据发送要遵循通讯协议.

5结束语

本文设计的基于IEEE802.15.4技术的智能家庭无线传感器网络系统，具有低成本、低功耗及通用性的特点.随着IEEE802.15.4正式版本协议的公布，更多的研发力量将转到应用的设计和实现互联互通测试和市场推广等方面.在不远的将来，将有越来越多的内置IEEE802.15.4功能的设备进入人们的生活，并将极大地改善人们的生活方式，真正体现了快速便捷的“娱乐生活”理念.