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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計綜述

作者:RFID世界網(wǎng) 收編
來源:網(wǎng)絡(luò)
日期:2011-04-12 08:59:11
摘要:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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,并對這些信息進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。
  引言 

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor 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量;傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡,那么該節(jié)點就不能進行數(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。  


圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點典型組成


  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)計的目標之一,盡可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。典型的節(jié)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(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1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準之一。 

  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大學研制的Mica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(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(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。

  低功耗而言,MSP430F1xx MCU系列提供業(yè)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(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μAMPS1節(jié)點采用StrongARM處理器SA1110,功耗為27~976 mW。該處理器支持DVS節(jié)能,可以降低功耗450 mW左右;關(guān)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(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15~72 mA,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款處理器是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。 
表2 各種常見的微控制器性能比較 

  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)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA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標準的無線收發(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10 m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10 Mbps;缺點是傳輸距離只有10 m左右,完整協(xié)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(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(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TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC等。路由協(xié)議有Gossiping、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(jié)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(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;CC1010是在CC1000的基礎(chǔ)上集成了51內(nèi)核的單片機,使得芯片的集成度進一步提高。WiseNet節(jié)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(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,DCDC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(shù)據(jù)后自動轉(zhuǎn)入休眠模式,電流小于1 μA。 

  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(qū)動傳感器,通常使用場效應(yīng)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(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。