無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN硬件設(shè)計(jì)綜述

引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）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)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)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、傳感器單元和模塊單元4部分組成，如圖1所示。

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圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)典型組成

1 無(wú)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(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系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet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)、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(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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較

目前，國(guó)內(nèi)外研究員已經(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。

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(gè)定時(shí)器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM,擁有UART、SPI、I2C、JTAG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，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(shí)時(shí)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(gè)喚醒過(guò)程僅需6 μs。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(wú)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(dòng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

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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(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(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。

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表2 各種常見(jiàn)的微控制器性能比較

2.2 無(wú)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(wú)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(wú)線收發(fā)芯片。UWB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，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(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(wú)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(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)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(kāi)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(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議的完整開(kāi)發(fā)套件。Freescale半導(dǎo)體公司提供ZigBee的2.4 GHz無(wú)線傳輸芯片有MC13191、MC13192、MC13193；該公司還提供配套的開(kāi)發(fā)套件。

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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)

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(zhǎng)，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(wú)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(jiàn)的無(wú)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(kāi)發(fā)難度較大，在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較少。常用無(wú)線芯片的主要參數(shù)比較如表4所列。

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表4 常用無(wú)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(chǔ)能大小與形狀、活動(dòng)離子的擴(kuò)散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無(wú)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(lái)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(méi)有能量補(bǔ)給來(lái)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(méi)有毒性的可充電電池。常見(jiàn)電池的性能參數(shù)如表5所列。無(wú)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(lái)補(bǔ)給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽(yáng)能、電磁能、振動(dòng)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(duì)電池充電，否則會(huì)大大縮短電池的使用壽命。

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表5 常見(jiàn)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(cè)溫濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度等物理量。美國(guó)Crossbow公司基于Mica節(jié)點(diǎn)開(kāi)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(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，電流小于1 μA。

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μA），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。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，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(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。