无线传感器网络WSN硬件设计综述..doc

无线传感器网络WSN硬件设计综述 发表于 2007-09-17 20:14:47 /thread/113985/1 引言无线传感器网络WSN（Wireless?Sensor?Network）一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成，如图1所示。?? 图1??无线传感器网络节点典型组成1??无线传感器网络典型节点传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。因为无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽可能延无线传感器网络的寿命。由于具体的应用背景不同，目前内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica系列、Sensoria?WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器。常用的无线通信协议有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定义协议；处理器从4位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的单片机，典型的是WiseNet。典型无线传感器网络节点如表1所列。本文介绍了无线传感器网络的概念、特点以及无线传感器网络节点的组成，重点分析比较节点各组成单元各种常用芯片的特点，并且始终将低功耗作为比较的重要标准之一。2??典型无线传感器网络节点比较目前，国内外研究员已经开发出多种无线传感器网络节点，其实这些节点的组成部分是类似的，只是其应用背景不同，对节点性能的要求也不尽相同，因此所采用的硬件组件有很大差异。2.1??处理器单元处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但处理能力也非常有限。Berkerly大学研制的Mica系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2节点采用Atmel增强型微控制器?ATmega128L。该微控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4?KB?SRAM、128?KB?Flash和4?KB?EEPROM,拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线芯片和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。采用该处理器的另外一个优点是：编译器很多，其中GCC（WIN****R）是完全免费、开放的软件。由于以上优点和Mica2节点的影响，在实际的无线传感器设计中应用很多。但是从低功耗角度来讲，该芯片并不是最佳选择。?如表1所列，就低功耗而言，MSP430F1xx?MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1.8?V，实时时钟待机电流的消耗仅为?1.1?μA，而运行模式电流低至?300?μA?(1?MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6?μs。PIC系列微控制器也有低功耗的产品问世。Toles节点和ZebraNet节点就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。在某些数据量大的应用中，高端的处理器也有应用。例如μAMPS1节点采用StrongARM处理器SA1110，功耗为27～976?mW。该处理器支持DVS节能，可以降低功耗450?mW左右；关掉无线模块功耗可以降低300?mW。μAMPS2采用的处理器是DSP。XYZnode采用的处理器是OKI公司的ARMTDMI内核的ML67Q5002，该处理器