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- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺的研究與設(shè)計(jì)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/8/29
引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊，在軍事、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療護(hù)理、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制以及智能家居等領(lǐng)域都有潛在的使用價值，已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視 [1]。
傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成單位，由其組成的硬件平臺和具體的應(yīng)用要求密切相關(guān)，因此節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)將直接影響到整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。
本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，然后從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺設(shè)計(jì)的基本原則出發(fā)，著重分析了硬件平臺的構(gòu)成以及硬件平臺核心部件設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵問題，并提出設(shè)計(jì)構(gòu)想。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶界面[2]。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在感知區(qū)域（Sensor field）內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中所采集的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由后到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)通過外部網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到處理中心進(jìn)行集中處理。
傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支持平臺，從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存 儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)[3]。
匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布處理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)[3]。
2 硬件平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)
無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，具有以下特點(diǎn)：
a）微型化。應(yīng)用中的傳感器節(jié)點(diǎn)要高度集成化，保證對目標(biāo)系統(tǒng)的特性不會造成影響。
b）低功耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有嚴(yán)格的電源要求，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)往往部署在無人值守的地方，節(jié)點(diǎn)使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應(yīng)用的首要問題。
c）計(jì)算能力和存儲容量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)都有嵌入式微處理器和存儲器，嵌入式微處理器的處理和存儲器的存儲容量有限，因此傳感器的計(jì)算能力十分有限。
d）通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄，覆蓋范圍小，還經(jīng)常受到自然環(huán)境的影響，導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)通信失敗。因此，網(wǎng)絡(luò)的自恢復(fù)性、抗毀性也是應(yīng)解決的重點(diǎn)問題。
e）傳感器數(shù)量多，分布范圍廣。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的地域。因此，維護(hù)十分困難，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯性。
2.2 節(jié)點(diǎn)的組成與核心模塊設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)完成對周圍環(huán)境中對象的感知并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗螅瑢y量值無線傳送給監(jiān)控中心。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的基本功能是：準(zhǔn)確地采集環(huán)境參數(shù)的值，并進(jìn)行初步的處理，遇險情時進(jìn)行聲光報(bào)警；接收監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)請求命令，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控中心等。
無線傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊的組成見圖2。處理器模塊用來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算、功能協(xié)調(diào)等；無線收發(fā)模塊用來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送、頻率選擇等，傳感器模塊用來進(jìn)行外部傳感器信號的接收、轉(zhuǎn)換，能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供必要的能量。
處理器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)整個節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)榷鄠�關(guān)鍵任務(wù)，考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際特點(diǎn)，作為硬件平臺的中心模塊，除了應(yīng)具備一般單片機(jī)的基本性能外還應(yīng)該有適當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)需要的特點(diǎn)：
a）盡可能高的集成度，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多的節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部件。
b）盡可能低的能源消耗，處理器的功耗一般很大，而在無線網(wǎng)絡(luò)中，沒有持續(xù)的能源供給，這就要求節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須將節(jié)能作為一個重要因素來考慮。
c）盡量快的運(yùn)行速度，網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點(diǎn)的實(shí)時性要求很高，要求處理器的實(shí)時處理能力要強(qiáng)。
d）盡可能多的I/O和擴(kuò)展接口。多功能的傳感器產(chǎn)品是發(fā)展的趨勢，而在前期設(shè)計(jì)中，不可能把所有的功能包括進(jìn)來，這就要求系統(tǒng)有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
e）盡可能低的成本。如果傳感器節(jié)點(diǎn)成本過高，必然會影響網(wǎng)絡(luò)化的布局。
目前處理器模塊中使用較多的是ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)，它采用RISC結(jié)構(gòu)，吸取了PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口。集成度方面，其內(nèi)部集成了幾乎所有關(guān)鍵部件；指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結(jié)構(gòu)，因此，指令大多為單周期；能源管理方面，AVR單片機(jī)提供了多種電源管理方式，盡管節(jié)省節(jié)點(diǎn)能源，可擴(kuò)展性方面，提供了多個I/O口，并且和通用單片機(jī)兼容，另外，AVR系列單片機(jī)提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器，SPI（串行外圍接口）控制器，與無線收發(fā)模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大吞吐量，高速率的數(shù)據(jù)收發(fā)。
此外，TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機(jī)，都在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面得到了廣泛應(yīng)用。
無線收發(fā)模塊用于傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，解決無線通信中載波頻段選擇、信號調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率，編碼方式等，并通過天線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與基站間數(shù)據(jù)的收發(fā)。
與一般的網(wǎng)絡(luò)通信類似，傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議也包括了物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，與節(jié)點(diǎn)硬件平臺有關(guān)的主要是物理層和鏈路層。
物理層主要解決編碼調(diào)制、通信速率，通信頻段的選取等問題，物理層的編碼調(diào)制關(guān)系到頻率帶寬、通信速率、收發(fā)功率等一切問題，采用不同的調(diào)制方式應(yīng)用于不同的節(jié)點(diǎn)技術(shù)中，節(jié)點(diǎn)本身的通信速率受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，不可能很大，一般都是低功耗、低數(shù)據(jù)量傳輸，但是，提高通信速率從而節(jié)省通信時間，對于系統(tǒng)最為關(guān)鍵的節(jié)能問題有一定幫助，在頻段的選擇方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)推薦使用免許可證頻段－－ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段，其通信頻率達(dá)2.4GHz。
鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測，媒體接入和差錯控制等，保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。本層采用了超低功耗的802.15.4的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議，即ZigBee協(xié)議。ZigBee技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，具有3個工作頻段，分別為700MHz， 866MHz、2.4GHz，劃分為16個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbit/s，用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。
目前，在無線通信領(lǐng)域應(yīng)用較多的無線數(shù)傳模塊有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010[4]，以及RFM公司的TR1000等，NORDIC ATMEL公司也有相關(guān)產(chǎn)品。
CC1000 工作頻帶為315MHz，868MHz，915MHz，具有低電壓、低功耗、可編程輸出功率、高靈敏度、小尺寸、集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳可達(dá) 72.8Kbit/s。具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議，主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活，圖3為CC1000 的模塊結(jié)構(gòu)圖。
傳感器模塊是硬件平臺中真正與外部信號量接觸的模塊，一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分，探頭采集外部的溫度、光度和磁場等需要傳感的信息，將其送入變送系統(tǒng)，后者完成將上述物理量傳化為系統(tǒng)可以識別的原始電信號，并且通過積分電路、放大電路的整形處理，最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送處理器模塊。
對于不同的探測物理量，傳感器模塊將采用不同的信號處理方式。因此，對于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號量，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測與傳感器電路，同時，需要預(yù)留相應(yīng)的擴(kuò)展接口，以便于擴(kuò)展傳感等更多的物理信號量。
能量供應(yīng)模塊作為整個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)模塊，是節(jié)點(diǎn)正常順利工作的保證。由于是無線網(wǎng)絡(luò)，所以無法采用普通的工業(yè)電能，只能使用自己已存儲的能源或者是自然界的給予。因此，采用什么能源，采取什么樣的供電方式顯得尤為重要，本模塊中必須解決好能源消耗與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性的關(guān)系。
2.3 節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)
對應(yīng)與上述的模塊劃分，傳感器節(jié)點(diǎn)電路由傳感電路、通用控制電路、無線射頻塊和電源4部分組成，如圖4所示，對于不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器電路可能不同，而其他部分基本一致。
傳感電路由傳感器、放大器及調(diào)制電路組成，完成被測非電流向電量的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行初步處理，例如信號的整形、放大等，然后送到通用電路，完成模擬量向數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗笏屯鶡o線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊將其無線發(fā)送出去。通用電路也處理無線收發(fā)模塊接收來的信號，電源部分給整個傳感器節(jié)點(diǎn)提供所需要的能量。
3 硬件設(shè)計(jì)中急待解決的問題
3.1 電源能量有限
由于傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，使得其能源不可能來自工業(yè)電源，而只能求助于自身傳輸或自然界的給予，目前使用的大部分都是自身存儲有限能源的化學(xué)電池，因此，如何高效使用電池，延長電池使用壽命就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的首要挑戰(zhàn)，目前主要解決方法是采用休眠機(jī)制，即節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3.2 計(jì)算和存儲能力有限
傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，要求傳感器節(jié)點(diǎn)價格低、功耗小、必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小，因此，如何利用有限地計(jì)算和存儲資源，完成諸多協(xié)同任務(wù)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。事實(shí)上，隨著低功耗電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，目前已經(jīng)開發(fā)出很多超低功耗微處理器，同時，一般傳感器節(jié)點(diǎn)還會配上一些外部存儲器，目前的Flash存儲器是一種可以低電壓操作、多次寫、無限次讀的非易失存儲介質(zhì)。
3.3 安全性問題
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快、節(jié)點(diǎn)易失效、能源有限以及計(jì)算和存儲能力有限的特性，使其安全完成面臨考驗(yàn)[5]。因此，如何在能耗最小、存儲空間占用最少的前提下解決安全性問題，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的又一挑戰(zhàn)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任何一個節(jié)點(diǎn)的各方面功能都不能與目前Internet的任何一種網(wǎng)絡(luò)終端相比，因此，如何通過更簡單的算法實(shí)現(xiàn)盡量堅(jiān)固的安全外殼，是解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性首先要考慮的問題，同時，有限的計(jì)算資源和能量資源又需要系統(tǒng)的各種技術(shù)綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量。
4 設(shè)計(jì)構(gòu)想
4.1 無線通信模塊的頻段選擇
傳感器無線通信模塊的頻段選擇對于整個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)、中轉(zhuǎn)、傳輸都將產(chǎn)生重要影響，無線通信特有的空間獨(dú)占性決定了頻段選擇十分重要。所以，設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊時必須考慮這一因素。
收發(fā)芯片最好選擇工作在ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段。其他頻段還有900MHz－928MHz（只適用于美洲大陸）和868MHz －870MHz（歐洲大部分地區(qū)）。從這方面考慮，CC1000芯片是不錯的選擇，它支持多個載波頻率，其中包括868MHz和915MHz兩個屬于 ISM頻段的基本調(diào)制頻率。
4.2 硬件平臺的擴(kuò)展性
傳統(tǒng)的傳感平臺主要傳感的物理量局限與聲、光、熱、濕度、磁力和加速度等，而隨著無線傳感技術(shù)的興起，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，迫切需要傳感器能夠感知更多的物理量，這就要對傳感平臺進(jìn)行擴(kuò)展，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以加入更多的傳感檢測電路，例如，對于煙霧濃度、范圍、甚至所觀測到的視頻的傳感等。當(dāng)然，這需要系統(tǒng)首先預(yù)留擴(kuò)展接口，另外，增加的部分必須高度集成化，更不能占用過多的系統(tǒng)能源。
對于上述的傳感物理量，能否以及如何綜合傳感，也是設(shè)計(jì)的一個方向，多個物理量的綜合獲取，可以更加準(zhǔn)確地描述被傳感對象的狀態(tài)，在軍事、搶險救災(zāi)以及自動控制等領(lǐng)域必然有廣闊應(yīng)用。
4.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的集成度
隨著集成電路工藝的進(jìn)步，傳感器節(jié)點(diǎn)的集成度已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，要求傳感器節(jié)點(diǎn)在某些場合應(yīng)用時必須小到人類不容易發(fā)現(xiàn)的程度，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的集成度必須進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時，首先要考慮處理芯片的大小，因?yàn)樘幚砥餍酒拇笮⊥蜎Q定整個節(jié)點(diǎn)的大小，所以應(yīng)該選擇體積盡量小的處理器芯片，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時，應(yīng)在不影響電路效果的前提下，盡量減少線路條數(shù)。
5 結(jié)束語
無線傳感器硬件平臺的設(shè)計(jì)對于整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，作為整個系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計(jì)算機(jī)成本下降和微處理器體積縮小，開發(fā)和構(gòu)造無線傳感器將有更新的應(yīng)用前景。
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