摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其巨大的應(yīng)用前景越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)，分析比較了國內(nèi)外當(dāng)前典型的硬件平臺，重點討論了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點常用的處理器、射頻芯片、電源和傳感器各自的優(yōu)缺點，并詳細(xì)比較了目前應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺 低功耗 無線通信
引 言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensol Network)是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)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(xiàn)象)，并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、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)點具有端節(jié)點和路由的功能：一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點發(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。網(wǎng)關(guān)節(jié)點往往個數(shù)有限，而且常常能量能夠得到補充；網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式(如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等)與外界通信。而傳感器節(jié)點數(shù)目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能最；傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，那么該節(jié)點就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網(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。具體應(yīng)用不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計也不盡相同，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。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型節(jié)點
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺。因為無線傳感器網(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，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計準(zhǔn)則之一，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計到整個網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計都把節(jié)能作為設(shè)計的目標(biāo)之一，盡町能延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
由于具體的應(yīng)用背景不同，目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件平臺。典犁的節(jié)點包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabra-net等。實際上各平臺最主要的區(qū)別是采用了不同的處理器、無線通信協(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(wǎng)絡(luò)節(jié)點如表l所列。
本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成，重點分析比較節(jié)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(biāo)準(zhǔn)之一。
2 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點比較
目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其實這些節(jié)點的組成部分是類似的，只是其應(yīng)用背景不同，對節(jié)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，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Miea系列節(jié)點大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2節(jié)點采用Atmel增強型微控制器ATmegal28L。該微控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4KB SRAM、128KB Flash和4KB 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(jié)能模式，方便低功耗設(shè)計。采用該處理器的另外一個優(yōu)點足：編譯器很多，其中GCC(WINAVR)是完全免費、開放的軟件。由于以上優(yōu)點和Mica2節(jié)點的影響，在實際的無線傳感器設(shè)計中應(yīng)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，MSP430Flxx MCU系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為1．8V，實時時鐘待機電流的消耗儀為1．1μA，而運行模式電流低至300μA(1MHz)，從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6μs。PIC系列微控制器也有低功耗的產(chǎn)品問世。Toles節(jié)點和ZebraNet節(jié)點就是采用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μAMPS-1節(jié)點采用StrongARM處理器SA-1110，功耗為27～976 mW。該處理器支持DVS節(jié)能，可以降低功耗450mW左右；關(guān)掉無線模塊功耗可以降低300mW。μAMPS-2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(動態(tài)頻率調(diào)節(jié))，工作電流為15～72mA，頻率為1．8～57．6 MHz。
從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(jié)點的能量消耗比采用微控制器大很多，多數(shù)支持DVS(動態(tài)電壓調(diào)節(jié))或DFS(動態(tài)頻率調(diào)節(jié))等節(jié)能策略，但是其處理能力也強很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用；此外．采用高端處理器來作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點也是不錯的選擇。表2中最后3款處理器足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。該類節(jié)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(yīng)該首先考慮系統(tǒng)對處理能力的需要，然后再考慮功耗問題。
2.2 無線傳輸技術(shù)及芯片
可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等，常用的無線通信技術(shù)有：802．11b、802．15．4(ZigBee)、BitIetooth、UWB、RFID、lrDA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(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)的無線收發(fā)芯片。UWB具有發(fā)射信號功率譜密度低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、對信道衰落不敏感、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；缺點是傳輸距離只有l(wèi)Om左右，隔墻穿透力不好。802．11b因為功耗高而應(yīng)用不多，Bluetooth工作在2．4 GHz頻段，傳輸速率可達(dá)10Mbps；缺點是傳輸距離只有10m左右，完整協(xié)議棧有250KB，不適合使用低端處理器，多用于家庭個人無線局域網(wǎng)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也有所應(yīng)用。在無線傳感器網(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，同時支持地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前市場上常見的支持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公司還專門開發(fā)了ZigBee協(xié)議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應(yīng)用較多，Toles節(jié)點和XYZ節(jié)點都是采用該芯片；Chipcon公司提供包含F(xiàn)igure8公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議的完整開發(fā)套件。Freescale半導(dǎo)體公司提供ZigBee的2．4GHz無線傳輸芯片有MCl3191、MC13192、MCl3193；該公司還提供配套的開發(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、CWise-MAC、B-MAC、D-MAC等。路由協(xié)議有Gossi-ping、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TRl000和Chipcon公司的CCl000是理想的選擇。這兩種芯片各有所長，TRl000功耗低一些，CCl000靈敏度高一些，傳輸距離更遠(yuǎn)。WeC、Renee和Mica節(jié)點均采用TRl000芯片；Mica2采用CCl000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CCl020芯片，傳輸速率可達(dá)153．6 kbps，支持OOK、FSK和GIFSK調(diào)制方式；Micaz節(jié)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(chǔ)上集成了51內(nèi)核的單片機；CCl010是在CCl000的基礎(chǔ)上集成了5l內(nèi)核的單片機，使得芯片的集成度進(jìn)一步提高。WiseNet節(jié)點采用的是CCl010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(fā)難度較大，在實際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較少。常用無線芯片的主要參數(shù)比較如表4所列。
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(kuò)散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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(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，如果沒有能量補給來源，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有毒性的可充電電池。常見電池的性能參數(shù)如表5所列。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(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電池充電，否則會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(jié)點開發(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ERT-J1VRl03J(松下電子公司)、加速度傳感器ADI ADXL202、磁傳感器Honeywe11HMC1002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)后自動轉(zhuǎn)入休眠模式，電流小于lμA。
傳感器電源的供電電路設(shè)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(qū)動；當(dāng)不用該傳感器時，將I／O口設(shè)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DSl8820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(qū)動傳感器，通常使用場效應(yīng)管(如Irlml6402)來控制后級電路能量輸入。當(dāng)有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關(guān)芯片來實現(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，目前國內(nèi)外存在很多硬件平臺，采用的無線通信技術(shù)也有很多種。本文主要總結(jié)了目前常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺的詳細(xì)分析，期望能對我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展起到積極作用。
（轉(zhuǎn)載）
