PR OCESS AUT OM AT I O N I NSTRU M ENTAT I O N Vol 130No 18August 2009
修改稿收到日期:2008-11-25。
第一作者居滋培，男,1947年生,1982年毕业于上海机械学院自动化仪表专业，获学士学位，教授；主要从事自动检测技术方面的研究。
D esi gn of W i reless Sen sor Network Node Ba sed on I EE
E 802.15.4
居滋培白凌华闰祺
(上海理工大学计算机与电气工程学院，上海
200091)
摘 要：无线传感器网络节点硬件结构的核心是微处理器，而微处理器的选择又必须和通信协议兼容。该设计采用目前广泛应用于无线传感器的I EEE 802.15.4通信协议，并选择与此兼容的JN5121微处理器( JN5121微处理器具有低功耗、低成本等特点)。介绍了基于JN5121无线传感器网络的硬件组成，包括微处理器的结构、性能特点、外围电路及硬件平台的结构设计。同时阐述了JN5121的软件开发环境、射频部分的组成、连接和控制以及实物产品的开发。
关键词：无线传感器网络微处理器网络硬件设计通信协议无线收发器中图分类号:TP23 文献标志码:A
Abstract:The core of the hardware structure of the node of wireless sensor net w ork is m icr op r ocess or,while choosing m icr op rocessor must con 2sider the to communication p rotocols .In design,the new p rotocol widely used recently is IEEE 802.15.4,and the m icr op r ocess or compatible t o the p r ot ocol selected is JN5121,which features low power consump tion and l ow cost .The hardware compositi on of the wireless sens or net work based on JN5121,the structure of the m icrop r ocess or,perf or mance features,and the design of peri pherals and hardware p latfor m are intr oduced .In additi on,the soft w are devel op ing envir onment f or JN5121,compositi on of the radio frequency components,connections and control as well as the development of the p ractical p r oducts are als o p resented .
Keywords:W ireless sens or net w ork (W S N ) M icr op r ocessor Hardware design of net w ork Communication p rotocol W ireless transceiver
0 引言
无线传感器网络W S N (wireless sens or net work )由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点组成，通常包括传感器网络节点(sens or node )、汇聚节点
(sink node )和管理节点(management node )
[1-2]
，并通
过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。
WS N 由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和 能量模块组成。对于不同的应用，传感器也可能包含定位装置、移动器及能源产生器。其结构如图1
所示。
图1 传感器硬件结构
Fig .1 Hard ware structure of the sens or
1 设计要求和模块功能
网络节点的设计需要考虑微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性以及成本等几个方面。①网络节点在体积上应该足够小，以保证对目标系统本身的特性不会造成影响;②网络节点需要有定义统一、完整的外部接口，可以在现有的节点上直接添加新的硬件部件，在相同的硬件平台上实现多种应用;③硬件的稳定性要求节点的各个部件都能够在给定的温度、湿度、压力等外部条件下，保证正常的功能，在恶劣的条件下不被损坏;④网络节点只有低成本，才能将其大量布置在目标区域中；而低成本要求供电模块结构简单、成本低廉，且所有的器件都是低功耗。
网络节点硬件中的传感器模块主要负责信息的采集和将其它各种信号转变成数字信号，并发送给微处理器。微处理器模块负责整个传感器网络节点
的操作、存储和处理自身采集的数据以及其它节点发送来的数据，实现安全可靠的网络通信。无线通信模块负责与其它网络节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。能量供应模块为网络节点的运行提供能量，通常采用微型电池，以便减小节点的体积。
2
2基于I EEE 802.15.4的无线传感器网络节点的设计 居滋培，等
《自动化仪表》第30卷第8期 2009年8月
2 网络节点的硬件设计
2.1
微处理器的选型
微处理器模块是网络节点硬件设计的核心，所有设备的控制、数据采集和处理、通信协议和数据收发等都在该模块的支持下完成，所以在网络节点的设计中，微处理器的选择至关重要。微处理器的选择必须和通信协议联系起来，本文采用I EEE 802.15.4通信协议。该
协议规定系统微处理器须具备以下条件[3-4]
:8位微处理器、完全协议栈RO M 容量小于32k B 、简单功能节点协议栈RO M 容量约6k B 。协调器还需要足够容量的
RA M，用于保存节点器件数据库、传输路由表等[5]
。
本设计所选用的微处理器是JENN I C 公司生产的JN5121模块。JN5121是一款兼容于I EEE 802.15.4
的低功耗、低成本无线微型控制器。该模块内置一款32位的R ISC 处理器，配置有2.4GHz 频段且兼容于I EEE 802.15.4标准的无线收发器、64kB 的ROM 、96k B 的RAM ，为无线传感器网络应用提供了多种多样的解决方案。同时，高度集成化的设计减少了系统总成本。JN5121芯片结构如图2
所示。图2 芯片结构图
Fig .2 Structure of the chi p
JN5121内置的ROM 存储，集成了点对点通信与
网状网络通信的完整协议栈；内置的RAM 存储可以支持网络路由和控制器功能而不需要任何外部扩展的存储空间。JN5121内置的硬件MAC 地址和高度安全的
AES 加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负
载，同时它还支持晶振休眠和系统节能功能，为大量的模拟和数字外设的互操作提供了支持，让用户可以方便地连接到自己的外部应用系统。
JN5121微型控制器具有以下技术特性:16MHz 主频
的32位R I S C CP U 处理器具有低功耗(3M I PS/mA )、代码效率高的特点；控制器有96k B RA M，可以存储共享程序、数据和路由表，其64k B RO M 存放应用程序代码；芯片具有4路12位的模拟量输入、2路11位的模拟量输出、2个比较器、1路温度传感器、2个应用程序定时器、3个系统
定时器和2个UART 异步串口以及支持5个外部设备的
SPI 接口、2线串行接口、21个通用的I/O 接口。其所适应
的工业级别温度范围为-40～+85℃;56管脚的QF N 封装和无铅设计完全符合欧盟的《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》RoHS (restricti on of haz 2
ardous substances )指令规范。
采用JN5121模块的原因还在于它在低功耗和省电方面表现突出，并且在恶劣条件下工作性能稳定；同时，所需要的外围功能电路少、接口简洁、封装性好
[6]
。
2.2 JN5121芯片的无线收发器
JN5121内置了无线收发器，因此，大大降低了硬件设计的复杂度，同时，该芯片还具有很好的封装性。
该无线收发器由1个2.45GHz 无线收发器、1个
O 2QPSK 调制调解器、1个基带处理器、安全处理器以
及PHY 控制器组成。这些模块与协议软件提供了1个标准库，即以I EEE 802.15.4标准为基础的无线收发器可以发送和接收无需授权的2.4GHz 频带信号。
Radio 架构如图3
所示。
图3 Radi o 架构
Fig .3 A rchitecture of Radi o
该Radio 由1个低频接收路径和1个直接向上转换发送路径组成，并且衔接TX /RX 开关。这个开关包括必要的配套部分，比如1个200W 的差分天线，可直接连接，无需外部元件。
16MHz 晶振提供给分离器，分离器提供参考频率
给频率合成器。该合成器包含可编程反馈分频器、相位检测器、电池泵和内部电压控制振荡器VCO (volt 2
age 2contr olled oscillat or )。VCO 由校准电路提供补偿并
受锁相回路PLL (phase locked loop )控制。P LL 由1个环路滤波器和3个外部元件组成。
接收链与低噪声放大器/混频器组合，输出到多相带通滤波器。该滤波器提供了通道定义和镜频抑制。
3
2基于I EEE 802.15.4的无线传感器网络节点的设计 居滋培，等
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信号输出到2个可变增益放大器模块。
调制调解器进行所有必要的调制和发送功能，接收频率在2450MHz 无线电频段。调制解调器架构如图4所示
。
图4 调制调解器架构
Fig .4 A rchitecture of mode m
JN5121芯片自带收发器的主要性能包括:2.4G Hz
频段，兼容于I EEE 802.15.4标准;128位AES 加密的安全处理器；硬件处理MAC 地址加速和处理报文地址检查，提升通信报文的产生速度；硬件处理报文自动确认报文的CRC 生成和定时工作；内部集成电源管理芯片和晶振休眠，降低协同功耗；在休眠模式下功耗小于
5μA；需要最少的外部器件，成本低于1美元；报文接收
电流小于50mA，报文发送电流小于40mA；接收灵敏度为-93d Bm，发射功率为+1d Bm 。3 硬件平台整体设计
在硬件平台中，微控制器需要实现的功能以及外围模块有以下几部分。①控制无线射频模块完成数据接收与发送;②控制传感器模块进行数据采集;③接收主机控制，完成数据交换;④以微控制器为中心模块，通过SP I 总线及若干I/O 串口控制RF 模块并与其通信，传感器模块采集的数据通过SP I 总线与微控制器相连，通过RS 2232串行总线或者串行转US B 接口，可以实现节点与PC 的通信[7]
。节点硬件平台总
体设计如图5
所示。
图5 节点硬件平台总体设计
Fig .5 Overall design of hard ware p latfor m of the nodes
JN5121芯片的设计采用单芯片解决方案，集收发
器和微控制器于一体，适合于无线传感器网络应用。相对于传感器和控制器，其体积小、功耗低、设计紧凑，硬件设计的MAC 地址降低了系统功耗和处理器负载，并具有可扩展的外部设备接口。因此，
在JN5121芯片的基础上，使用的标准硬件设备分为中央控制器、路由器和终端设备。
中央控制器具有体积小、覆盖范围广、子节点数目无限制等特点，设备表面积约60mm ×40mm，可外接不同增益的天线，覆盖半径最远可以达到2k m [7]
。
在I EEE 802.15.4网络中，路由器主要作为中继设备传输网络中的数据，用户可以使用路由器来扩大网络的范围。
终端设备和路由器采用相同的硬件设计，两者都配备了传感器接口和标准串口，用户可以使用这些设备监控传感器数据或进行其它的应用。设备特点包括:①供电方式多样化。如电池、外接电源、太阳能供电等。②多种接口选择。如2个模拟量输入接口、2个数字量输入接口、1个数字量输出接口、1个RS 2232接口等。4 结束语
本文介绍了基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络节点的硬件组成，包括JN5121的性能特点和开发环境；内部微型处理器的性能特点、内部结构、外围电路及控制；硬件平台的基本构成及软件的开发环境；射频部分的组成、连接及控制，最后阐述了应用于开发的实物产品。
参考文献
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