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

1、rciRUM專題論述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)綜述*中科技大學(xué)姜連祥汪小燕摘要無(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)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)線通信引言無(wú)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(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

2、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In ternet、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

3、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)一般由圖1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)典型組成處理器單元、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。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)

4、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系列、Sensoria WINS、Toles、卩 AMPS系列、XYZnode、Zabra 2net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

5、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。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，和其他單元起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。EM6603是4位微控制Jgi專題論述TOPICAL DtSCUSS表1典型無(wú)線傳感器

6、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 hium 1998Re nee A Tmega163(At melTR1000(RF AA 1999Mica A Tmega128L (At mel TR1000(RF AA 2001Mica2ATmega128L (At mel CC1000(RF AA 2002Mica2Dot A Tmega128L (At mel CC1000(RF Lit hium 2002Mica3A Tmega128L (At mel CC1020(RF AA 2003Micaz A T

7、mega128L (At mel CC2420(ZigBee AA 2003Toles MSP430F149(TICC2420(ZigBee AA2004XYZ node ML67Q500x (O KICC2420(ZigBeeNiM n Rechargeable2005Platform1PIC16L F877(Microchip Bluetoot h &RF AA 2004Platform2TMS320C55xx (TI U WBLit hium 2005Platform3ARM7TDMI 核+Bluetoot h 集成(Zeevo Battery 2005Zabra netMSP4

8、30F149(TI 9Xstream (RFBatteries2004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/K B Flash容量/K B正常工作電流/mA睡眠模式下的電流/ XAt mel Mega1034128 5.51Mega1284128820Mega165/325/645464 2.52Microchip PIC16F87x0.36821Intel 80518位 Classic 0.532305805116位 1164510Philips 80C5116位260153MotorolaHC050.532 6.690HC082328100HCS08460 6.51TI M

9、SP430F14x 16位 260 1.51MSP430F16x 16位 104821At mel AT91ARM Thumb 256102438160I ntel XScale PXA27X 256N/A 39574Sams ungS3C44B08N/A605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、4K B SRAM、128K B Flash 和 4K B EEPROM ,擁有 UAR T、SPI

10、、I 2C、J TA 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，MSP430F1xx MCU系列提供業(yè)界較低的電流消耗, 工作電壓為1.8V ,實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流的消耗僅為1.1卩A而運(yùn)行模式電流低至300卩A （1M Hz ,從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過(guò)程僅需 6卩s 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Ze

11、braNet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 卩AMPS 1節(jié)點(diǎn)采用 StrongARM 處理器 SA1110功耗為27976mW。該處理器支持DVS節(jié)能,可以降低功耗450mW左右;關(guān)掉 無(wú)線模塊功耗可以降低300mW。卩AMPS 2采用的處理器是DSP。XYZnode采用的處理器是0 KI公司的ARM 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1572mA頻率為1.857.6M 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ARM處理器為代表的高端處理器。

12、該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多數(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。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、Bluetoot h

13、、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。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10m左右，隔墻穿透力不好。802.11b因?yàn)楣母叨?應(yīng)用不多，Bluetoot h工作在

14、2.4GHz頻段,傳輸速率可達(dá)10Mbps ;缺點(diǎn)是傳輸距離只 有10m左右,完整協(xié)議棧有250K B，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DiSC-JSS專題論述表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)距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetoot h 2.4GHz 10低 10000802.11b 2.4GHz 100高 11000RFID 50kHz 5.8GHz <5200ZigBee 2.4GHz 1075低 250IrDA infrared 1低 16000U WB 3.110.6GHz 10低 1

15、00000RF3001000M Hz 10 X100 X低 10XXx表示數(shù)字19。表4常用無(wú)線芯片主要參數(shù)比較芯片/參數(shù)頻段/M Hz速率/kbps電流/mA靈敏度/dB功率/dBm調(diào)制TR1000916115 3.0-106 1.5OO K/FSK CC1000300100076.8 5.3-110-2010FSKCC1010402904153.619.9-118-2010GFSK CC2420240025019.7-94-30 QPSKn RF90543391510012.5-10010GFSK n RF24012400100015-85-200GFSK 9Xstream90292820

16、140-1101620F HSS表5常見(jiàn)電池的性能參數(shù)電池類型鉛酸鎳鎘鎳氫鋰離子聚合物鋰錳銀鋅重量能量比/(W ? h ? kg -13541508012016014018033體積能量比/(W ? h ? L-180120100200200280>3205501150循環(huán)壽命 /次 3005008001000100011工作溫度廠C -206020602060060060- 20602060記憶效應(yīng)無(wú)有小很小無(wú)無(wú)無(wú)內(nèi)阻 /m Q 308071918358010080100- 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是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一

17、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32K B，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,Figure8公司還專門(mén)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2.4GHz無(wú) 線傳

18、輸芯片有MC13191、MC13192、MC13193;該公司還提供配套的開(kāi)發(fā)套件。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 T MAC、S MA、CWiseMAC、B MAC、D MAC 等。路由協(xié)議有 G ossi 2pi ng、SPIN協(xié)議、L EACH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、Re nee和Mica節(jié)點(diǎn)均采用TR1000芯片;Mica2采用CC1000芯片;M

19、ica3采用Chipcon公 司的CC1020芯片,傳輸速率可達(dá)153.6kbp s支持00 K、FSK和GFSK調(diào)制方 式;Micaz節(jié)點(diǎn)則采用CC2420Z igBee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

20、表4所列。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，DC DC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

21、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。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1K專題論謹(jǐn)TOPiCAL DISCUSSClairex CL94L、溫敏電阻ER T J1VR103J （松下電子公司、加速度傳感器 ADIADXL

22、202、磁傳感器Honeywell HMC1002等。溫濕度傳感器 SH 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卩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（幾百卩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lrlm16402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

23、,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)、W£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 Wilczy nski ,Gregory J.Wireless In tegrated NetworkSe nsors

24、 (WINS :Distributed In Situ Sen si ng for Missi on and Flight SystemsSan deep Vardha n ,Pottie ,Un iversity of California ,Los An geles 丄 osAn geles California ,90095IEEE 2000.3 Joseph Polastre ,Robert Szewczyk ,David Culler.Telos :En 2abli ng Ultra Low Power Wireless Research.Computer Sci 2ence Dep

25、artme ntUni versity of California ,Berkeley IEEE 2005.4E nfrgyCentric En abli ng Tech no logies for Wireless Sen sorNetworks Rex Min ,Ma nish Bhardwaj ,Massachusett s In sti 2tute of Tech no logyIEEE Wireless Commu ni cati ons August 2002:2839.5 Robert Szewczyk.Telos :En abli ng Ultra Low Power Wire 2less Research Joseph Polastre.Computer Scie nee Departme nt Un iversity ofCalifornia ,Berkeley 2005IEEE :364368.6 Christop her M.Hardware Desig n Experie nces in ZebraNetPei Zhan g.Sadler Departme nt of Electrical Engin eeri ng