無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

引 言

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺可以按節(jié)點(diǎn)控制器類型、節(jié)點(diǎn)無線通信類型、節(jié)點(diǎn)操作特性等多種方式進(jìn)行分類。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)注的是檢測區(qū)域內(nèi)某一范圍而不是某一個特定點(diǎn)的狀態(tài)信息，因此按照節(jié)點(diǎn)操作特性來進(jìn)行分類的方法較為科學(xué)，它覆蓋了節(jié)點(diǎn)的具體實現(xiàn)形式。按照這種方法可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為4類[1]：特定傳感器平臺、通用傳感器平臺、高帶寬傳感器平臺和網(wǎng)關(guān)平臺。

特定傳感器平臺側(cè)重于節(jié)點(diǎn)的超低功耗和體積的微型化設(shè)計，但同時也決定了其處理能力和傳輸能力很有限。比如UC Berkeley的Spec[l]就是在2．5 mm×2．5 mm的硅片上集成了處理器、RAM、通信接口和傳感器的一種節(jié)點(diǎn)，它靠一個附帶的微型電池供電可以連續(xù)工作幾年，但在其原型版本中只有單向的通信鏈路；再如由DAR-PA／MTO MEMS program支持UC Berkeley研發(fā)的Smart Dust也是一種超微型的節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計目標(biāo)體積是1 mm3左右，由于使用光通信并采用主動和被動兩種工作模式，其功耗可以進(jìn)一步降低。

通用傳感器平臺對體積要求有所放寬，側(cè)重于節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性和測試需求，但同樣對節(jié)點(diǎn)功耗有較嚴(yán)格的要求，這類平臺也是目前在實驗研究和產(chǎn)品化中應(yīng)用最多的。該類型中以UC Berkeley的Mica系列節(jié)點(diǎn)為主要代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot、Mica-Z等不同版本。

高帶寬傳感器平臺的主要特點(diǎn)是處理能力強(qiáng)、存儲容量大、接口豐富，其射頻帶寬比前兩種更寬，甚至可以進(jìn)行音視頻信號的傳遞。該類節(jié)點(diǎn)的典型代表是由Intel公司設(shè)計的Imote，它采用ARM7TDMI內(nèi)核，可通過藍(lán)牙接口與PDA等設(shè)備連接，由于功能強(qiáng)大，相應(yīng)的系統(tǒng)功耗也有所增加。

網(wǎng)關(guān)平臺是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的部分，通常它的處理能力和接口帶寬比其他幾類更高。它實現(xiàn)的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他類型網(wǎng)絡(luò)之間，或者是不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，由通用接口使用協(xié)議轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與節(jié)點(diǎn)設(shè)計

1．1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。多個終端節(jié)點(diǎn)node與匯集節(jié)點(diǎn)sink決定了檢測區(qū)域的范圍，各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過自組織的多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)gate；然后通過串行通信接口傳送至網(wǎng)關(guān)計算機(jī)并接入Internet，遠(yuǎn)程的監(jiān)控終端可以通過Internet獲取監(jiān)控范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

在該網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)接入設(shè)備和監(jiān)控終端均可使用傳統(tǒng)的計算機(jī)實現(xiàn)，以下主要關(guān)注的是終端節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。從數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度來看，由于采用的是一種樹狀網(wǎng)絡(luò)，所以終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最少，僅需在特定的檢測時獲取數(shù)據(jù)并送出；匯集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量稍大，需要接收多個終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過初步處理后送至下一匯集節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量最大，需要接收整個檢測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過解析、融合、協(xié)議轉(zhuǎn)換等處理后再送入Internet。從能源需求來看，終端節(jié)點(diǎn)能耗最小，匯集節(jié)點(diǎn)次之，但這兩類節(jié)點(diǎn)通常都只能使用自帶的有限能源，一旦耗盡即停止工作；而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)雖然能耗大，但可以采用外部能源持續(xù)供給，在功耗上可以不作苛刻要求。因此，在全網(wǎng)中主要針對終端節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)的能耗作嚴(yán)格要求并在多層次進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地延長全網(wǎng)的有效工作時間。

1．2節(jié)點(diǎn)設(shè)計

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種典型的自組織網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨著節(jié)點(diǎn)的加入、退出或移動而改變，各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的功能也隨之動態(tài)變化，因此在監(jiān)測區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)或匯集節(jié)點(diǎn)的能力。終端節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)可統(tǒng)稱為"普通節(jié)點(diǎn)"，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在普通節(jié)點(diǎn)中設(shè)計并實現(xiàn)了一個8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU作為系統(tǒng)控制核心，后面會進(jìn)行詳細(xì)介紹；存儲器SST29VE020用作外部程序存儲器，容量為256 KB；A／D轉(zhuǎn)換器MAX152用于將外部傳感器經(jīng)調(diào)理后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；射頻收發(fā)模塊使用Chipcon公司支持ZigBee協(xié)議的CC2420[2]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上看是類似的，只是工作環(huán)境不同且功能需求有所增加，可由普通節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展實現(xiàn)。

2 8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU設(shè)計

在現(xiàn)有的各類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計中都采用的是嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一些通用處理器單元，而沒有針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)專用的控制核心，因而節(jié)點(diǎn)設(shè)計中會受到體積、功耗、接口、資源等方面的限制，甚至在某些設(shè)計中還存在資源浪費(fèi)的情況。這對節(jié)點(diǎn)的低功耗、微型化設(shè)計非常不利，因此在本設(shè)計中自行設(shè)計并實現(xiàn)了一種8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU，作為節(jié)點(diǎn)控制核心。

2．1 MCU結(jié)構(gòu)設(shè)計

MCU硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該設(shè)計中MCU采用了與ELAN公司EM78系列MCU指令集兼容的形式，完成原型開發(fā)。CPU采用兩級流水，使用兩相時鐘控制完成預(yù)取指操作，在跳轉(zhuǎn)指令后自動加入一條空操作指令NOP完成對轉(zhuǎn)移類操作的控制。目前在同等總線時鐘頻率的情況下，該CPU的操作速度比EM78系列MCU快一倍。

MCU外部程序存儲器采用256K×8位結(jié)構(gòu)，實際使用時由相鄰奇偶地址單元構(gòu)成128K×16位形式，以滿足13位寬度指令集的需求。用于取指操作的寄存器R2(PC)為17位寬，其中高7位用作程序存儲器128個頁面的尋址；低10位用于頁內(nèi)尋址；寄存器R5存儲當(dāng)前工作頁面地址，由指令解碼器判定并操作向R2的傳遞。這種尋址方式有利于物理結(jié)構(gòu)上同樣采用分頁形式的Flash存儲器的操作。

MCU片內(nèi)存儲器包括4 KB數(shù)據(jù)RAM、128字節(jié)通用寄存器RAM以及其他特殊寄存器。為縮小CPU的直接尋址范圍和滿足固定短字長指令集的使用，各存儲器采用了分頁、分塊和映像的統(tǒng)一組織方式。特殊寄存器包括MCU各模塊寄存器和I／O寄存器，共分為6頁，每頁最大16字節(jié)，使用寄存器R3進(jìn)行頁面的切換操作；由于寄存器并不完全占用所有地址空間，暫缺的部分留作以后擴(kuò)展。128字節(jié)通用寄存器RAM分為4個塊，每塊32字節(jié)，使用寄存器R4進(jìn)行塊切換操作，雖然進(jìn)行了分塊但仍然設(shè)計了直接和間接兩種尋址方式，提高了其操作靈活度。該部分空間主要由程序中變量使用，而分塊的結(jié)構(gòu)在節(jié)省地址空間的同時也增強(qiáng)了各函數(shù)變量間的保護(hù)機(jī)制，有利于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用。4 KB數(shù)據(jù)RAM被映像到分頁的數(shù)據(jù)寄存器之中，通過16位寬的地址接口和8位寬的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行存取操作，極大地縮小了直接尋址空間。目前這種存儲器組織方式雖然會增加一些數(shù)據(jù)存取的開銷，但在運(yùn)算負(fù)荷并不重的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中使用不會影響其性能，并且可以在編譯器層次針對這種結(jié)構(gòu)對代碼進(jìn)行優(yōu)化。這種形式帶來的優(yōu)點(diǎn)是可以簡化CPU的硬件結(jié)構(gòu)，顯著減小節(jié)點(diǎn)體積和降低功耗，從總體上來看對節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造是有利的。

MCU中共有8個外部中斷源和5個內(nèi)部中斷源。8個外部中斷源與端口PORT7復(fù)用引腳，并可以設(shè)定上升沿或下降沿觸發(fā)模式，以滿足不同外設(shè)接口的需要。5個內(nèi)部中斷源分別來自TCC、COUNTER1、COUNTER2、UART和SPI模塊。TCC模塊可利用外部時鐘進(jìn)行計時操作，為操作系統(tǒng)進(jìn)行時間片的劃分提供基本硬件支持；COUNTER1和COUNTER2采用內(nèi)部總線時鐘計數(shù)，除基本的計數(shù)和定時功能外，還可將其與外部中斷引腳配合實現(xiàn)輸入捕捉或輸出比較功能；UART和SPI模塊的中斷主要用于通信服務(wù)程序。

2.2 設(shè)計中的低功耗考慮

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)決定其設(shè)計必須圍繞低功耗進(jìn)行，因此作為節(jié)點(diǎn)控制核心的MCU的低功耗設(shè)計也相當(dāng)重要。在設(shè)計中從系統(tǒng)層次和邏輯層次的三個方面進(jìn)行低功耗考慮：工作電壓、時鐘控制和電路規(guī)模。工作電壓主要與芯片制造工藝相關(guān)，目前選用3．3 V工作電壓以O(shè)．18μm CMOS工藝設(shè)計，由于制造工藝環(huán)節(jié)不在我們的可控范圍內(nèi)，故在此不作更多討論。

在時鐘控制方面主要使用了門控時鐘、兩相時鐘流水和休眠喚醒機(jī)制。門控時鐘主要采用使能信號控制各獨(dú)立模塊和電路的時鐘信號來源，以靈活地開啟和關(guān)閉各觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)來達(dá)到降低功耗的目的。兩相時鐘流水主要用于提高CPU的順序取指執(zhí)行速度，采用這種方式可以在同等總線時鐘和同樣工作負(fù)荷的情況下縮短CPU的工作時間，從系統(tǒng)層次來看減小了CPU的工作占空比，從而降低功耗。休眠喚醒機(jī)制的基本原理是關(guān)閉系統(tǒng)中暫時不使用的部分甚至是CPU的核心模塊，以降低系統(tǒng)總體的能源消耗。在該MCU中設(shè)計了全速工作模式working和兩種低功耗休眠模式sleep1、sleep2，如圖4所示。這兩種休眠模式下都會關(guān)閉系統(tǒng)主時鐘，但其喚醒方式和程序運(yùn)行模式有所不同。

通過執(zhí)行SLEP指令即可將MCU切換至sLeep1模式。在進(jìn)入該模式前需要啟用看門狗電路以使看門狗復(fù)位或外部復(fù)位信號恢復(fù)工作狀態(tài)；恢復(fù)working模式后系統(tǒng)重啟并重新開始執(zhí)行程序，以前的信息將會丟失。這種方式適合于系統(tǒng)長時間休眠且喚醒后系統(tǒng)重新工作的情況。要進(jìn)入sleep2模式只需將寄存器RA中的SLPC位置位。該模式與sleep1的主要區(qū)別是可以使用中斷信號喚醒CPU并且繼續(xù)執(zhí)行休眠前的程序，不會丟失任何信息。這種方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量使用，因為MCU工作的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)信息采集和系統(tǒng)組網(wǎng)等操作的時間間隔，所以在操作系統(tǒng)中即可充分利用這種模式以降低MCU的工作占空比。

在電路規(guī)模方面采用了RISC架構(gòu)設(shè)計，該CPU共支持58條精簡指令，每條指令固定為13位長度，有效減小了CPU核的規(guī)模和存儲體系規(guī)模。位于MCU中的其他接口功能模塊采用了獨(dú)立IP的組成形式，可以根據(jù)需求很方便地進(jìn)行功能裁減，以達(dá)到對嵌入式環(huán)境的最佳適應(yīng)。

3 平臺的實現(xiàn)

3．1 節(jié)點(diǎn)的實現(xiàn)

在該設(shè)計中已使用FPGA平臺對自行設(shè)計的MCU進(jìn)行了驗證，并采用O．18μm CMOS工藝進(jìn)行了后端設(shè)計、仿真并投片，達(dá)到了設(shè)計要求。目前的設(shè)計中MCU共占用了3 mm×3 mm的硅片面積，但實際的邏輯及存儲部分僅占1/3左右，主要原因是保留了較多暫時未用的引腳及測試引腳，增加了設(shè)計周長。在原型版本的節(jié)點(diǎn)中A/D轉(zhuǎn)換模塊采用了商用芯片MAX152，同時還設(shè)計了與之兼容的A／D電路并與MCU一同投片，將在后期版本中進(jìn)行混合信號設(shè)計從而實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

3．2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造實現(xiàn)

在該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺上成功移植了TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了對環(huán)境溫度的采集處理、射頻模塊的操作以及多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造，并通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)匯集監(jiān)測區(qū)域信息數(shù)據(jù)，利用IPv6網(wǎng)絡(luò)傳遞至監(jiān)控終端，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。

4 小 結(jié)

本設(shè)計采用了典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，開發(fā)出屬于通用傳感器平臺類型的原型版本，使用自行設(shè)計的低功耗MCU實現(xiàn)了系統(tǒng)集成和微型化。