無線傳感器網絡硬件設計簡介

無線傳感器網絡因其巨大的應用前景越來越受到學術界和工業界的廣泛關注。本文介紹了無線傳感器網絡節點的體系結構，分析比較了國內外當前典型的硬件平臺，重點討論了目前無線傳感器網絡節點常用的處理器、射頻芯片、電源和傳感器各自的優缺點，并詳細比較了目前應用于無線傳感器網絡的無線通信技術。

關鍵詞 無線傳感器網絡 硬件平臺 低功耗 無線通信

引言

　　無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。

　　在傳感器網絡中，傳感器節點具有端節點和路由的功能： 一方面實現數據的采集和處理；另一方面實現數據的融合和路由，對本身采集的數據和收到的其他節點發送的數據進行綜合，轉發路由到網關節點。網關節點往往個數有限，而且常常能量能夠得到補充；網關通常使用多種方式（如Internet、衛星或移動通信網絡等）與外界通信。而傳感器節點數目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量；傳感器節點的能量一旦耗盡，那么該節點就不能進行數據采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網絡的健壯性和生命周期。因此，傳感器網絡主要研究的是傳感器網絡節點。具體應用不同，傳感器網絡節點的設計也不盡相同，但是其基本結構是一樣的。傳感器網絡節點一般由處理器單元、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? 無線傳感器網絡節點典型組成

1? 無線傳感器網絡典型節點

　　傳感器網絡節點作為一種微型化的嵌入式系統，構成了無線傳感器網絡的基礎層支撐平臺。因為無線傳感器網絡大部分是采用電池供電，工作環境通常比較惡劣，而且數量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一，從無線傳感器網絡節點的硬件設計到整個網絡各層的協議設計都把節能作為設計的目標之一，盡可能延長無線傳感器網絡的壽命。

　　由于具體的應用背景不同，目前國內外出現了多種無線傳感器網絡節點的硬件平臺。典型的節點包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。實際上各平臺最主要的區別是采用了不同的處理器、無線通信協議和與應用相關的不同的傳感器。常用的無線通信協議有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定義協議；處理器從4位的微控制器到32位ARM內核的高端處理器都有所應用。還有一類節點是用集成了無線模塊的單片機，典型的是WiseNet。典型無線傳感器網絡節點如表1所列。

　　本文介紹了無線傳感器網絡的概念、特點以及無線傳感器網絡節點的組成，重點分析比較節點各組成單元各種常用芯片的特點，并且始終將低功耗作為比較的重要標準之一。

2? 典型無線傳感器網絡節點比較

　　目前，國內外研究人員已經開發出多種無線傳感器網絡節點，其實這些節點的組成部分是類似的，只是其應用背景不同，對節點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絡節點的核心，和其他單元一起完成數據的采集、處理和收發。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但處理能力也非常有限。Berkerly大學研制的Mica系列節點大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2節點采用Atmel增強型微控制器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種電源節能模式，方便低功耗設計。采用該處理器的另外一個優點是： 編譯器很多，其中GCC（WINAVR）是完全免費、開放的軟件。由于以上優點和Mica2節點的影響，在實際的無線傳感器設計中應用很多。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系列提供業界較低的電流消耗，工作電壓為1.8 V，實時時鐘待機電流的消耗僅為 1.1 μA，而運行模式電流低至 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品問世。Toles節點和ZebraNet節點就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。在某些數據量大的應用中，高端的處理器也有應用。例如μAMPS1節點采用StrongARM處理器SA1110，功耗為27～976 mW。該處理器支持DVS節能，可以降低功耗450 mW左右；關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內核的ML67Q5002，該處理器也支持DFS（動態頻率調節），工作電流為15～72 mA，頻率為1.8～57.6 MHz。

表1? 典型無線傳感器網絡節點

　　從處理器的角度看，無線傳感器網絡節點基本可以分為兩類： 一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節點的能量消耗比采用微控制器大很多，多數支持DVS（動態電壓調節）或DFS（動態頻率調節）等節能策略，但是其處理能力也強很多，適合圖像等高數據量業務的應用；此外，采用高端處理器來作為網關節點也是不錯的選擇。表2中最后3款處理器是ARM內核的處理器，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點。該類節點的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。在選擇處理器時應該首先考慮系統對處理能力的需要，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有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段，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。這些缺點決定這不是一種理想的傳輸介質。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標準的無線收發芯片。UWB具有發射信號功率譜密度低、系統復雜度低、對信道衰落不敏感、安全性好、數據傳輸率高、能提供數cm的定位精度等優點；缺點是傳輸距離只有10 m左右，隔墻穿透力不好。802.11b因為功耗高而應用不多，Bluetooth工作在2.4 GHz頻段，傳輸速率可達10 Mbps；缺點是傳輸距離只有10 m左右，完整協議棧有250 KB，不適合使用低端處理器，多用于家庭個人無線局域網，在無線傳感器網絡中也有所應用。在無線傳感器網絡中應用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧只有32 KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網絡中。目前市場上常見的支持ZigBee協議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導體公司，Figure8公司還專門開發了ZigBee協議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應用較多，Toles節點和XYZ節點都是采用該芯片；Chipcon公司提供包含Figure8公司開發的ZigBee協議的完整開發套件。Freescale半導體公司提供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套件。

表3? 應用于無線傳感器網絡的無線通信技術

　　普通的射頻芯片也是一種理想的選擇，可以自定義通信協議，比較有代表性的MAC協議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC等。路由協議有Gossiping、SPIN協議、LEACH協議、TEEN協議等。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。WeC、Renee和Mica節點均采用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153.6 kbps，支持OOK、FSK和GFSK調制方式；Micaz節點則采用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的基礎上集成了51內核的單片機；CC1010是在CC1000的基礎上集成了51內核的單片機，使得芯片的集成度進一步提高。WiseNet節點采用的是CC1010芯片。常見的無線芯片還有Nordic公司的nRF905、nRF2401等系列芯片，因為功耗較高，接收靈敏度比較低，開發難度較大，在實際的無線傳感器網絡中應用較少。常用無線芯片的主要參數比較如表4所列。

表4? 常用無線芯片主要參數比較

2.3? 電源模塊

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

　　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，如果沒有能量補給來源，則應選擇不可充電電池。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如表5所列。無線傳感器網絡節點一般工作在戶外，可以利用自然能源來補給電池的能量。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是有限的，而且大多數可充電電池有記憶效應，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

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節點開發了一系列傳感器板，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，采集完數據后自動轉入休眠模式，電流小于1μA。

　　傳感器電源的供電電路設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口直接驅動；當不用該傳感器時，將I/O口設置為輸入方式。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口不能直接驅動傳感器，通常使用場效應管（如Irlm16402）來控制后級電路能量輸入。當有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關芯片來實現電源控制，MAX4678就是這樣一款芯片。

3? 結論

　　由于應用背景不同，目前國內外存在很多硬件平臺，采用的無線通信技術也有很多種。本文主要總結了目前常見的無線傳感器網絡硬件平臺，分析比較了常用的處理器、無線芯片、無線通信技術、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絡硬件平臺的詳細分析，期望能對我國的無線傳感器網絡的研究和發展起到積極作用。