無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其巨大的應(yīng)用前景越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)，分析比較了國內(nèi)外當(dāng)前典型的硬件平臺，重點(diǎn)討論了目前無線傳感器網(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)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 硬件平臺 低功耗 無線通信

引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象），并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、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)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等）與外界通信。而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)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)計也不盡相同，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? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)典型組成

1? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型節(jié)點(diǎn)

　　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)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺。因?yàn)闊o線傳感器網(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，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計準(zhǔn)則之一，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計到整個網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計都把節(jié)能作為設(shè)計的目標(biāo)之一，盡可能延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

　　由于具體的應(yīng)用背景不同，目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。實(shí)際上各平臺最主要的區(qū)別是采用了不同的處理器、無線通信協(xié)議和與應(yīng)用相關(guān)的不同的傳感器。常用的無線通信協(xié)議有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB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)是用集成了無線模塊的單片機(jī)，典型的是WiseNet。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如表1所列。

　　本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成，重點(diǎn)分析比較節(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。

2? 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較

　　目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種無線傳感器網(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。

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，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。EM6603是4位微控制器，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Atmel公司的微控制器。其中，Mica2節(jié)點(diǎn)采用Atmel增強(qiáng)型微控制器ATmega128L。該微控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM,擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無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。采用該處理器的另外一個優(yōu)點(diǎn)是： 編譯器很多，其中GCC（WINAVR）是完全免費(fèi)、開放的軟件。由于以上優(yōu)點(diǎn)和Mica2節(jié)點(diǎn)的影響，在實(shí)際的無線傳感器設(shè)計中應(yīng)用很多。但是從低功耗角度來講，該芯片并不是最佳選擇。

　　如表1所列，就低功耗而言，MSP430F1xx 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)時時鐘待機(jī)電流的消耗僅為 1.1 μA，而運(yùn)行模式電流低至 300 μA (1 MHz)，從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6 μs。PIC系列微控制器也有低功耗的產(chǎn)品問世。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μAMPS1節(jié)點(diǎn)采用StrongARM處理器SA1110，功耗為27～976 mW。該處理器支持DVS節(jié)能，可以降低功耗450 mW左右；關(guān)掉無線模塊功耗可以降低300 mW。μAMPS2采用的處理器是DSP。XYZnode采用的處理器是OKI公司的ARMTDMI內(nèi)核的ML67Q5002，該處理器也支持DFS（動態(tài)頻率調(diào)節(jié)），工作電流為15～72 mA，頻率為1.8～57.6 MHz。

表1? 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

　　從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類： 一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多，多數(shù)支持DVS（動態(tài)電壓調(diào)節(jié)）或DFS（動態(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，采用高端處理器來作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是不錯的選擇。表2中最后3款處理器是ARM內(nèi)核的處理器，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。在選擇處理器時應(yīng)該首先考慮系統(tǒng)對處理能力的需要，然后再考慮功耗問題。

表2? 各種常見的微控制器性能比較

2.2? 無線傳輸技術(shù)及芯片

　　可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等，常用的無線通信技術(shù)有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、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)。紅外線的傳輸也具有方向性，距離短，不需要天線。芯片83F88S是一種符合IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。UWB具有發(fā)射信號功率譜密度低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、對信道衰落不敏感、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，Bluetooth工作在2.4 GHz頻段，傳輸速率可達(dá)10 Mbps；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，多用于家庭個人無線局域網(wǎng)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也有所應(yīng)用。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。以上特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前市場上常見的支持ZigBee協(xié)議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導(dǎo)體公司，F(xiàn)igure8公司還專門開發(fā)了ZigBee協(xié)議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應(yīng)用較多，Toles節(jié)點(diǎn)和XYZ節(jié)點(diǎn)都是采用該芯片；Chipcon公司提供包含F(xiàn)igure8公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議的完整開發(fā)套件。Freescale半導(dǎo)體公司提供ZigBee的2.4 GHz無線傳輸芯片有MC13191、MC13192、MC13193；該公司還提供配套的開發(fā)套件。

表3? 應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)

　　普通的射頻芯片也是一種理想的選擇，可以自定義通信協(xié)議，比較有代表性的MAC協(xié)議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC等。路由協(xié)議有Gossiping、SPIN協(xié)議、LEACH協(xié)議、TEEN協(xié)議等。從性能、成本、功耗方面考慮，RFM公司的TR1000和Chipcon公司的CC1000是理想的選擇。這兩種芯片各有所長，TR1000功耗低一些，CC1000靈敏度高一些，傳輸距離更遠(yuǎn)。WeC、Renee和Mica節(jié)點(diǎn)均采用TR1000芯片；Mica2采用CC1000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CC1020芯片，傳輸速率可達(dá)153.6 kbps，支持OOK、FSK和GFSK調(diào)制方式；Micaz節(jié)點(diǎn)則采用CC2420 ZigBee芯片。還有一類無線芯片本身集成了處理器，例如CC2430是在CC2420的基礎(chǔ)上集成了51內(nèi)核的單片機(jī)；CC1010是在CC1000的基礎(chǔ)上集成了51內(nèi)核的單片機(jī)，使得芯片的集成度進(jìn)一步提高。WiseNet節(jié)點(diǎn)采用的是CC1010芯片。常見的無線芯片還有Nordic公司的nRF905、nRF2401等系列芯片，因?yàn)楣妮^高，接收靈敏度比較低，開發(fā)難度較大，在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較少。常用無線芯片的主要參數(shù)比較如表4所列。

表4? 常用無線芯片主要參數(shù)比較

2.3? 電源模塊

　　電池種類很多，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴(kuò)散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要，DCDC模塊的效率也至關(guān)重要；另外，還可以利用自然界的能源來補(bǔ)充電池的能量。

　　按照能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池和鋰電池、鋰聚合物電池等。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高，如果沒有能量補(bǔ)給來源，則應(yīng)選擇不可充電電池。在可充電電池中，鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度最高，但是成本也比較高；鎳錳電池和鋰聚合物電池是唯一沒有毒性的可充電電池。常見電池的性能參數(shù)如表5所列。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般工作在戶外，可以利用自然能源來補(bǔ)給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽能、電磁能、振動能、核能等。由于可充電電池的次數(shù)是有限的，而且大多數(shù)可充電電池有記憶效應(yīng)，因此利用自然界的能量不能頻繁對電池充電，否則會大大縮短電池的使用壽命。

表5? 常見電池的性能參數(shù)

2.4? 傳感器模塊

　　傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量。美國Crossbow公司基于Mica節(jié)點(diǎn)開發(fā)了一系列傳感器板，采用的傳感器有光敏電阻Clairex CL94L、溫敏電阻ERTJ1VR103J（松下電子公司）、加速度傳感器ADI ADXL202、磁傳感器Honeywell HMC1002等。溫濕度傳感器SHTxx系列能支持低功耗模式，采集完數(shù)據(jù)后自動轉(zhuǎn)入休眠模式，電流小于1μA。

　　傳感器電源的供電電路設(shè)計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于小電流工作的傳感器（幾百μA），可由處理器I/O口直接驅(qū)動；當(dāng)不用該傳感器時，將I/O口設(shè)置為輸入方式。這樣外部傳感器沒有能量輸入，也就沒有能量消耗，例如溫度傳感器DS18B20可以采用這種方式。對于大電流工作的傳感器模塊，I/O口不能直接驅(qū)動傳感器，通常使用場效應(yīng)管（如Irlm16402）來控制后級電路能量輸入。當(dāng)有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關(guān)芯片來實(shí)現(xiàn)電源控制，MAX4678就是這樣一款芯片。

3? 結(jié)論

　　由于應(yīng)用背景不同，目前國內(nèi)外存在很多硬件平臺，采用的無線通信技術(shù)也有很多種。本文主要總結(jié)了目前常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，分析比較了常用的處理器、無線芯片、無線通信技術(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。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺的詳細(xì)分析，期望能對我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展起到積極作用。