無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)綜述

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)綜述華中科技大學(xué)姜連祥 汪小燕無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其巨大的應(yīng)用前景越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)摘要 節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu),分析比較了國(guó)內(nèi)外當(dāng)前典型的硬件平臺(tái),重點(diǎn)討論了目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)常用的處理器、射頻芯片、電源和傳感器各自的優(yōu)缺點(diǎn),并詳細(xì)比較了目前應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)。關(guān)鍵詞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 硬件平臺(tái) 低功耗 無(wú)線通信了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺(tái)。因?yàn)闊o(wú)線傳感器引 言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN ( Wireless Sensor Net work) 是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò) ,能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣

2、的感知對(duì)象的各種信息( 如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象) , 并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線的方式發(fā)送出去 ,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ,傳感器節(jié)點(diǎn)具有端節(jié)點(diǎn)和路由的功能 : 一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理; 另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由 ,對(duì)本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合 ,轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)往往個(gè)數(shù)有限 ,而且常常能量能夠得到補(bǔ)充; 網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式( 如 Internet 、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等) 與外界通信。而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)

3、目非常龐大 ,通常采用不能補(bǔ)充的電池提供能量;傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一旦耗盡 ,那么該節(jié)點(diǎn)就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和路由的功能 ,直接影響整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期。因此 ,傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。具體應(yīng)用不同 ,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也不盡網(wǎng)絡(luò)大部分是采用電池供電 ,工作環(huán)境通常比較惡劣 ,而且數(shù)量大 ,更換電池非常困難 ,所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一 ,從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計(jì)都把節(jié)能作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一 ,盡可能延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。由于具體的應(yīng)用背景不同 ,目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括 Mica

4、 系列、Sensoria WINS 、Toles 、AMPS 系列、XYZnode 、Zabra2net 等。實(shí)際上各平臺(tái)最主要的區(qū)別是采用了不同的處理器、無(wú)線通信協(xié)議和與應(yīng)用相關(guān)的不同的傳感器。常用的無(wú)線通信協(xié)議有 802 . 11b 、802 . 15 . 4 ( ZigBee) 、Bluetoot h 、U WB 和自定義協(xié)議; 處理器從 4 位的微控制器到 32 位 ARM 內(nèi)核的高端處理器都有所應(yīng)用。還有一類節(jié)點(diǎn)是用集成了無(wú)線模塊的單片機(jī) ,典型的是 WiseNet 。典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如表 1 所列。本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成 ,重點(diǎn)分析比

5、較節(jié)點(diǎn)各組成單元各種常用芯片的特點(diǎn) ,并且始終將低功耗作為比較的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。相同 ,但是其基本結(jié)構(gòu)是一樣的。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由處理器單元、無(wú)線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元 4 部分組成 ,如圖 1 所示。 圖 1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)典型組成2 典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較目前 ,國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) ,其實(shí)這些節(jié)點(diǎn)的組成部分是類似的 ,只是其應(yīng)用背景不同 ,對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的要求也不盡相同 ,因此所采用的硬件組件有很大差異。1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型節(jié)點(diǎn)2 . 1 處理器單元處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心 ,和其他單元一傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng) ,構(gòu)成起

6、完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。EM6603 是 4 位微控制paper mesnet. com. cn (投稿專用)2006 年第 11 期 Microcontrollers & Embedded Systems13表 1典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)名稱處理器(公司)無(wú)線芯片(技術(shù))電池類型發(fā)布日期WeCA T90S8535 ( At mel)TR1000 ( RF)Lit hium1998ReneeA Tmega163 ( At mel)TR1000 ( RF)AA1999MicaA Tmega128L ( At mel)TR1000 ( RF)AA2001Mica2A Tmega128L (

7、At mel)CC1000 ( RF)AA2002Mica2DotA Tmega128L ( At mel)CC1000 ( RF)Lit hium2002Mica3A Tmega128L ( At mel)CC1020 ( RF)AA2003MicazA Tmega128L ( At mel)CC2420 ( ZigBee)AA2003TolesMSP430 F149 ( TI)CC2420 ( ZigBee)AA2004XYZnodeML67Q500x (O KI)CC2420 ( ZigBee)NiMn Rechargeable2005Platform1PIC16L F877 ( Mic

8、rochip)Bluetoot h &RFAA2004Platform2TMS320C55xx ( TI)U WBLit hium2005Platform3A RM7 TDMI 核 + Bluetoot h 集成( Zeevo)Battery2005ZabranetMSP430 F149 ( TI)9Xst ream ( RF)Batteries2004多數(shù)支持 DVS(動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)) 或 DFS ( 動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)) 等節(jié)能策略 ,但是其處理能力也強(qiáng)很多 ,適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用 ;此外 ,采用高端處理器來(lái)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是不錯(cuò)的選擇。表 2 中最后 3 款處理器是 A RM 內(nèi)核的處理器

9、 , 功耗明顯比低端微控制器高很多。另一類是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱 ,但是能量消耗功率也很小。在選擇處理器時(shí)應(yīng)該首先考慮系統(tǒng)對(duì)處理能力的需要 ,然后再考慮功耗問(wèn)題。2 . 2無(wú)線傳輸技術(shù)及芯片器 ,功耗很低 , 但處理能力也非常有限。Berkerly 大學(xué)研制的 Mica 系列節(jié)點(diǎn)大多是采用 At mel 公司的微控制器。其中 , Mica2 節(jié)點(diǎn)采用 At mel 增強(qiáng)型微控制器A Tmega128L 。該微控制器擁有豐富的片上資源 , 包括 4個(gè)定時(shí)器、4 KB SRAM 、128 KB Flash 和4 KB EEPROM , 擁有 UA R T 、SPI

10、 、I2 C 、JTA G 接口 , 方便無(wú)線芯片和傳感器的接入;有 6 種電源節(jié)能模式 ,方便低功耗設(shè)計(jì)。采用該處理器的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是: 編譯器很多 , 其中 GCC( WINAVR) 是完全免費(fèi)、開(kāi)放的軟件。由于以上優(yōu)點(diǎn)和Mica2 節(jié)點(diǎn)的影響 , 在實(shí)際的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)中應(yīng)用很多。但是從低功耗角度來(lái)講 ,該芯片并不是最佳選擇。如表 1 所列 ,就低功耗而言 ,MSP430 F1xx MCU 系列提供業(yè)界較低的電流消耗 ,工作電壓為 1 . 8 V ,實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流的消耗僅為 1 . 1 A , 而運(yùn)行模式電流低至 300A (1 M Hz) ,從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過(guò)程僅需 6 s

11、。 PIC 系列微控制器也有低功耗的產(chǎn)品問(wèn)世。Toles 節(jié)點(diǎn)和 ZebraNet 節(jié)點(diǎn)就是采用 MSP430 系列的微控制器 , 功耗可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等 ,常用的無(wú)線通信技術(shù)有: 802 . 11b 、802 . 15 . 4 ( ZigBee) 、 Bluetoot h 、U WB 、RFID 、IrDA 等; 還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義 , 這些芯片一般工作在 ISM 免費(fèi)頻段 ,如表 3 所列。利用激光作為傳輸媒體 ,功耗比用電磁波低 ,更安全。缺點(diǎn)是: 只能直線傳輸; 易受大氣狀況影響;傳輸具有方向性。這些缺點(diǎn)決定這不是一種理想的傳輸介質(zhì)。紅

12、外線的傳輸也具有方向性 ,距離短 ,不需要天線。芯片 83 F88S 是一種符合 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片。U WB 具有發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、對(duì)信道衰落不敏感、安全性好、數(shù)據(jù)傳輸率高、能提供數(shù) cm 的定位精度等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是傳輸距離只有10 m 左右 ,隔墻穿透力不好。802 . 11b 因?yàn)楣母叨鴳?yīng)用不多 ,Bluetoot h工作在 2 . 4 GHz 頻段 ,傳輸速率可達(dá) 10 Mbp s ; 缺點(diǎn)是傳輸距離只有 10 m 左右 ,完整協(xié)議棧有 250 KB ,不適合使用低端處理器 ,多用于家庭個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng) ,在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也有所應(yīng)用。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最

13、多的非常低。在某些數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用中 , 高端的處理器也有應(yīng)用。例如AMPS 1 節(jié)點(diǎn)采用 St rongA RM 處理器 SA 1110 , 功耗為27976 mW 。該處理器支持DVS 節(jié)能 ,可以降低功耗 450 mW 左右;關(guān)掉無(wú)線模塊功耗可以降低 300 mW 。AMPS 2采用的處理器是 DSP 。XYZnode 采用的處理器是 O KI 公司的 A RM TDMI 內(nèi)核的 ML67Q5002 ,該處理器也支持 DFS ( 動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)) ,工作電流為 15 72 mA ,頻率為 1 . 857 . 6 M Hz 。從處理器的角度看 ,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類: 一類采用以

14、 ARM 處理器為代表的高端處理器。該類表 2各種常見(jiàn)的微控制器性能比較廠 商芯片型號(hào)RAM 容量Flash 容量正常工作睡眠模式下/ KB/ KB電流/ mA的電流/AMega10341285 . 51At melMega1284128820Mega165/ 325/ 6454642 . 52MicrochipPIC16 F87x0 . 36821Intel8051 8 位 Classic0 . 5323058051 16 位1164510Philip s80C51 16 位260153HC050 . 5326 . 690MotorolaHC082328100HCS084606 . 51TI

15、MSP430 F14x 16 位2601 . 51MSP430 F16x 16 位104821At melA T91 ARM Thumb256102438160IntelXScale PXA27X256N/ A39574SamsungS3C44B08N/ A605節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多 ,14 2006 年第 11 期adv mesnet. com. cn (廣告專用)表 3應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)無(wú)線技術(shù)頻 率距離/ m功 耗傳輸速率/ kbp sBluetoot h2 . 4 GHz10低10000802 . 11b2 . 4 GHz100高11000RFID50k

16、Hz5. 8 GHz 3205501150/ ( W h L - 1 )循環(huán)壽命/ 次3005008001000100011工作溫度/ - 206020602060060060- 20602060記憶效應(yīng)無(wú)有小很小無(wú)無(wú)無(wú)內(nèi)阻/ m308071918358010080100毒 性有有輕毒輕毒無(wú)無(wú)有價(jià) 格低低中高最高高中可充電是是是是是否否paper mesnet. com. cn (投稿專用)2006 年第 11 期 Microcontrollers & Embedded Systems15Clairex CL94L 、溫敏電阻 ER TJ 1V R103J ( 松下電子公司) 、加速度傳感器

17、ADI ADXL202 、磁傳感器 HoneywellHMC1002 等。溫濕度傳感器 S H Txx 系列能支持低功耗模式 ,采集完數(shù)據(jù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式 ,電流小于 1 A 。傳感器電源的供電電路設(shè)計(jì)對(duì)傳感器模塊的能量消耗來(lái)說(shuō)非常重要。對(duì)于小電流工作的傳感器( 幾百A) ,可由處理器 I/ O 口直接驅(qū)動(dòng); 當(dāng)不用該傳感器時(shí) ,將 I/ O口設(shè)置為輸入方式。這樣外部傳感器沒(méi)有能量輸入 ,也就沒(méi)有能量消耗 ,例如溫度傳感器 DS18B20 可以采用這種方式。對(duì)于大電流工作的傳感器模塊 , I/ O 口不能直接驅(qū)動(dòng)傳感器 ,通常使用場(chǎng)效應(yīng)管( 如 Irlm16402) 來(lái)控制后級(jí)電路能量輸入。

18、當(dāng)有多個(gè)大電流傳感器接入時(shí) ,通常使用集成的模擬開(kāi)關(guān)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電源控制 , MA X4678 就是這樣一款芯片。3結(jié) 論由于應(yīng)用背景不同 ,目前國(guó)內(nèi)外存在很多硬件平臺(tái) , 采用的無(wú)線通信技術(shù)也有很多種。本文主要總結(jié)了目前常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái) ,分析比較了常用的處理器、無(wú)線芯片、無(wú)線通信技術(shù)、傳感器和電源 ,并始終把功耗作為考慮的重要比較因素之一。通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的詳細(xì)分析 ,期望能對(duì)我國(guó)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展起到積極作用。參考文獻(xiàn) 1 孫利民 ,李建中 ,等. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò). 北京: 清華大學(xué)出版社 ,2005 :110 . 2 Matt Wilczynski ,

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21、002 :2839 .2 5 Robert Szewczyk. Telo s : Enabling Ult raLow Power Wireless Research Jo sep h Polast re. Co mp uter Science Depart mentUniversit y of California , Berkeley 2005 IEEE : 364 368. 6 Christop herM.Hardware Design Experiences in ZebraNet2Pei Zhang. Sadler Depart ment of Elect rical Engineering Princeton U niversit y SenSys 04 , November 325 , 2004 , Baltimore , Maryland , U SA : 273 281 . 7 崔莉 ,鞠海玲 ,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展 ,2005 : 167169.2姜連祥( 碩士研究生) , 主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì);汪小燕(副教授、碩士生導(dǎo)師) ,主要研究方向?yàn)橥ㄐ跑浖O(shè)計(jì)。(收稿日期:2006207204)12器和 1 個(gè)加法器 ,大大降低了通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn) IMDCT 運(yùn)算的成本。4 硬件實(shí)現(xiàn)由圖 1 可知