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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)
作者:沙超,董挺挺等
來源:電子工程師
日期:2011-03-21 16:22:20
摘要: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(tái)設(shè)計(jì)的基本原則出發(fā),著重分析了硬件平臺(tái)的構(gòu)成以及硬件平臺(tái)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。
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(shí)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(duì)象的信息,并對(duì)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(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)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(jià)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(tái)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(gè)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(tái)設(shè)計(jì)的基本原則出發(fā),著重分析了硬件平臺(tái)的構(gòu)成以及硬件平臺(tái)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(gè)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(gè)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(tái),從網(wǎng)絡(luò)功能上看,每個(gè)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(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理,同時(shí)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(chǔ)能力和通信能力相對(duì)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(shí)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(tái)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(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的特性不會(huì)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(chǔ)容量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)都有嵌入式微處理器和存儲(chǔ)器,嵌入式微處理器的處理和存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)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(cuò)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(duì)周圍環(huán)境中對(duì)象的感知并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?,將測量值無線傳送給監(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(xiǎn)情時(shí)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(hào)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(gè)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€(gè)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(tái)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(gè)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(gè)重要因素來考慮。
c)盡量快的運(yùn)行速度,網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性要求很高,要求處理器的實(shí)時(shí)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(huì)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(gè)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(hào)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(tái)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(shí)間,對(duì)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(cuò)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(gè)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(gè)工作頻段,分別為700MHz, 866MHz、2.4GHz,劃分為16個(gè)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(tái)中真正與外部信號(hào)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(shí)別的原始電信號(hào),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(hào)送處理器模塊。
對(duì)于不同的探測物理量,傳感器模塊將采用不同的信號(hào)處理方式。因此,對(duì)于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號(hào)量,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測與傳感器電路,同時(shí),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(hào)量。
能量供應(yīng)模塊作為整個(gè)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào),電源部分給整個(gè)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(chǔ)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(shí)盡快進(jìn)入休眠狀態(tài),而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)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(chǔ)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(jià)格低、功耗小、必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱,存儲(chǔ)器容量比較小,因此,如何利用有限地計(jì)算和存儲(chǔ)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(shí),一般傳感器節(jié)點(diǎn)還會(huì)配上一些外部存儲(chǔ)器,目前的Flash存儲(chǔ)器是一種可以低電壓操作、多次寫、無限次讀的非易失存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(shí),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(duì)于整個(gè)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(shí)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(cuò)的選擇,它支持多個(gè)載波頻率,其中包括868MHz和915MHz兩個(gè)屬于 ISM頻段的基本調(diào)制頻率。
4.2 硬件平臺(tái)的擴(kuò)展性
傳統(tǒng)的傳感平臺(tái)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(duì)傳感平臺(tái)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(duì)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(duì)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(gè)方向,多個(gè)物理量的綜合獲取,可以更加準(zhǔn)確地描述被傳感對(duì)象的狀態(tài),在軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及自動(dòng)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(shí)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(shí),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(gè)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(shí),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(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)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(gè)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。
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(shí)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(duì)象的信息,并對(duì)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(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)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(jià)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(tái)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(gè)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(tái)設(shè)計(jì)的基本原則出發(fā),著重分析了硬件平臺(tái)的構(gòu)成以及硬件平臺(tái)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(gè)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(gè)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(tái),從網(wǎng)絡(luò)功能上看,每個(gè)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(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理,同時(shí)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(chǔ)能力和通信能力相對(duì)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(shí)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(tái)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(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的特性不會(huì)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(chǔ)容量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)都有嵌入式微處理器和存儲(chǔ)器,嵌入式微處理器的處理和存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)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(cuò)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(duì)周圍環(huán)境中對(duì)象的感知并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?,將測量值無線傳送給監(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(xiǎn)情時(shí)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(hào)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(gè)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€(gè)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(tái)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(gè)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(gè)重要因素來考慮。
c)盡量快的運(yùn)行速度,網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性要求很高,要求處理器的實(shí)時(shí)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(huì)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(gè)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(hào)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(tái)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(shí)間,對(duì)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(cuò)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(gè)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(gè)工作頻段,分別為700MHz, 866MHz、2.4GHz,劃分為16個(gè)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(tái)中真正與外部信號(hào)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(shí)別的原始電信號(hào),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(hào)送處理器模塊。
對(duì)于不同的探測物理量,傳感器模塊將采用不同的信號(hào)處理方式。因此,對(duì)于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號(hào)量,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測與傳感器電路,同時(shí),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(hào)量。
能量供應(yīng)模塊作為整個(gè)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào),電源部分給整個(gè)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(chǔ)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(shí)盡快進(jìn)入休眠狀態(tài),而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)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(chǔ)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(jià)格低、功耗小、必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱,存儲(chǔ)器容量比較小,因此,如何利用有限地計(jì)算和存儲(chǔ)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(shí),一般傳感器節(jié)點(diǎn)還會(huì)配上一些外部存儲(chǔ)器,目前的Flash存儲(chǔ)器是一種可以低電壓操作、多次寫、無限次讀的非易失存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(shí),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(duì)于整個(gè)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(shí)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(cuò)的選擇,它支持多個(gè)載波頻率,其中包括868MHz和915MHz兩個(gè)屬于 ISM頻段的基本調(diào)制頻率。
4.2 硬件平臺(tái)的擴(kuò)展性
傳統(tǒng)的傳感平臺(tái)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(duì)傳感平臺(tái)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(duì)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(duì)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(gè)方向,多個(gè)物理量的綜合獲取,可以更加準(zhǔn)確地描述被傳感對(duì)象的狀態(tài),在軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及自動(dòng)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(shí)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(shí),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(gè)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(shí),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(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)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(gè)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。