无线传感器网络硬件设计综述.

1、无线传感器网络硬件设计综述华中科技大学 姜连祥 汪小燕摘要无线传感器网络因其巨大的应用前景越来越受到学术界和工业界的广泛关注。 本文介绍了无线传感器网络节点的体系结构 ,分析比较了国内外当前典型的硬件平台 ,重点讨论了目前无线 传感器网络节点常用的处理器、射频芯片、电源和传感器各自的优缺点,并详细比较了目前应用于无线传感器网络的无线通信技术。 关键词无线传感器网络 硬件平台 低功耗 无线通信引言无线传感器网络 WSN （Wireless Sensor Network 是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、

2、噪音和有害气体浓度等 物理现象 ,并对这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

3、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图 1 无线传感器网络节点典型组成 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。 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

4、,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,尽可能延长无线传感器网络的寿命。由于具体的应用背景不同 ,目前国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 、AMPS系 列、 XYZnode 、Zabra 2net 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 、 Bluetoot h 、U WB 和自定义协议 ;处

5、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 ,国内外研究人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 ,

6、和其他单元起完成数据的采集、处理和收发。 EM6603 是 4 位微控制表 1 典型无线传感器网络节点节点名称处理器 （公司无线芯片 （技术电池类型发布日期WeCA T90S8535(At mel TR1000(RF Lit hium 1998Renee A Tmega163(At mel TR1000(RF AA 1999Mica A Tmega128L (At mel TR1000(RF AA 2001Mica2A Tmega128L (At mel CC1000(RF AA 2002Mica2Dot A Tmega128L (At mel CC1000(RF Lit hium 2002M

7、ica3A Tmega128L (At mel CC1020(RF AA 2003Micaz A Tmega128L (At mel CC2420(ZigBee AA 2003Toles MSP430F149(TICC2420(ZigBee AA2004XYZnode ML67Q500x (O KICC2420(ZigBeeNiMn Rechargeable2005Platform1PIC16L F877(Microchip Bluetoot h &RF AA 2004Platform2TMS320C55xx (TI U WBLit hium 2005Platform3ARM7TDMI

8、 核+Bluetoot h 集成 (Zeevo Battery 2005ZabranetMSP430F149(TI 9Xstream (RFBatteries2004表 2 各种常见的微控制器性能比较厂商芯片型号RAM 容量/K B Flash 容量/K B 正常工作电流 /mA睡眠模式下的电流 / AAt mel Mega1034128 5.51Mega1284128820Mega165/325/645464 2.52Microchip PIC16F87x0.36821Intel 80518位 Classic 0.532305805116位 1164510Philips 80C5116位 2

9、60153MotorolaHC050.532 6.690HC082328100HCS08460 6.51TI MSP430F14x 16位 260 1.51MSP430F16x 16位 104821At mel A T91ARM Thumb 256102438160Intel XScale PXA27X 256N/A 39574SamsungS3C44B08N/A605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 At mel 公司的微控制器。其中 ,Mica2 节点采用 At mel 增强型微控制器 A Tmega128L 。该微控制器拥有

10、丰富的片上资源 ,包括 4 个 定时器、 4K B SRAM 、128K B Flash 和 4K B EEPROM ,拥有 UAR T 、SPI 、I 2C 、J TA G 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 （WINAVR 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 1.8V ,实时时

11、钟待机电流的消耗仅为 1.1 A而 , 运行模式电流低至 300A （1M Hz ,从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需 6s。 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 AMPS 1节点采用 StrongARM 处理器 SA1110,功耗为 27976mW 。该处理器支持 DVS 节能,可以降低功耗 450mW 左右;关掉 无线模块功耗可以降低 300mW 。AMPS 2采用的处理器是 DSP 。XYZnode 采用的处理器是 O KI 公司的

12、 ARM TDMI 内核的ML67Q5002,该处理器也支持 DFS （动态频率调节 ,工作电流为 1572mA ,频率为 1.857.6M Hz 。从处理器的角度看 ,无线传感器网络节点基本可以分为两类 :一类采用以ARM 处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很 多,多数支持 DVS （动态电压调节或 DFS （动态频率调节等节能策略 ,但是其处理能力也强很多 ,适合图像等高数据量业务的 应用 ;此外 ,采用高端处理器来作为网关节点也是不错的选择。表 2 中最后 3款处理 器是 ARM 内核的处理器 ,功耗明显比低端微控制器高很多。另一类是以采用低端 微控制器为代表的

13、节点。该类节点的处理能力较弱 ,但是能量消耗功率也很小。在 选择处理器时应该首先考虑系统对处理能力的需要 ,然后再考虑功耗问题。2.2 无线传输技术及芯片可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等 ,常用的无线通信技术有 :802.11b 、802.15.4(ZigBee 、Bluetoot h 、UWB 、 RFID 、IrDA 等;还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义 ,这些芯片一般工作 在 ISM 免费频段 ,如表 3 所列。利用激光作为传输媒体 ,功耗比用电磁波低 ,更安全。 缺点是:只能直线传输;易受大气状况影响 ;传输具有方向性。这些缺点决定这不是一 种理想的传输介质。红外

14、线的传输也具有方向性 ,距离短 ,不需要天线。芯片 83F88S 是一种符合 IrDA 标准的无线收发芯片。 U WB 具有发射信号功率谱密度低、系统 复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数 cm 的定位精 度等优点 ;缺点是传输距离只有 10m 左右,隔墙穿透力不好。 802.11b 因为功耗高而 应用不多 ,Bluetoot h 工作在 2.4GHz 频段,传输速率可达 10Mbps ;缺点是传输距离只 有 10m 左右,完整协议栈有 250K B ,不适合使用低端处理器 ,多用于家庭个人无线局 域网,在无线传感器网络中也有所应用。在无线传感器网络中应用最多的表 3

15、应用于无线传感器网络的无线通信技术无线技术频率距离 /m功 耗传输速率 /kbpsBluetoot h 2.4GHz 10低 10000802.11b 2.4GHz 100高 11000RFID 50kHz 5.8GHz <5 200ZigBee2.4GHz 1075 低 250IrDA infrared 1低 16000U WB 3.110.6GHz 10低 100000RF3001000M Hz 10 ×x 100 ×x低 10×x x 表示数字 19。表 4 常用无线芯片主要参数比较芯片/参数频段/M Hz 速率/kbps 电流/mA 灵敏度/dB 功

16、率/dBm调制TR1000916115 3.0-106 1.5OO K/FSK CC1000300100076.8 5.3-110-2010FSKCC1010402904153.619.9-118-2010GFSK CC2420240025019.7-94-3O QPSK nRF90543391510012.5-10010GFSK nRF24012400100015-85-200GFSK 9Xstream902928140-1101620F HSS表 5 常见电池的性能参数电池类型铅 酸镍 镉镍 氢锂离子聚合物锂 锰银 锌重量能量比/(W ? h ? kg -13541508012016014

17、0180330体积能量比/(W ? h ? L -180120100200200280>3205501150循环寿命 /次 3005008001000100011工作温度 /-206020602060060060- 20602060记忆效应无有小很小无无无内阻 /m 308071918358010080100 毒 性有有轻毒轻毒无无有价 格低低中高最高高中可充电是是是是是否否是 ZigBee 和普通射频芯片。 ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数 据速率、低成本的双向无线通信技术 ,完整的协议栈只有 32K B ,可以嵌入各种设备 中,同时支持地理定位功能。以上特点决定 Z

18、igBee 技术非常适合应用在无线传感器 网络中。目前市场上常见的支持 ZigBee 协议的芯片制造商有 Chipcon 公司和 Freescale半 导体公司 ,Figure8公司还专门开发了 ZigBee 协议栈。 Chipcon 公司的 CC2420芯片应用较多 ,Toles 节点和 XYZ 节点都是采用该芯片 ;Chipcon 公司提供包 含 Figure8 公司开发的ZigBee 协议的完整开发套件。 Freescale半 导体公司提供 ZigBee 的 2.4GHz 无 线传输芯片有 MC13191、MC13192、 MC13193;该公司还提供配套的开发套件。普通的射频芯片也是一

19、种理想的选择 ,可以自定义通信协议 ,比较有代表性的MAC 协议有 T MAC 、 S MA 、CWiseMAC 、 B MAC 、D MAC 等。路由协议有 G ossi 2ping 、SPIN 协议、L EACH 协议、 TEEN 协议等。从性能、 成本、功耗方面考虑 ,RFM 公司的 TR1000 和Chipcon 公司的 CC1000是理想的选择。这两 种芯片各有所长 ,TR1000 功耗低一些 ,CC1000灵敏度高一些 ,传输距离更远。WeC 、 Renee和Mica 节点均采用 TR1000芯片;Mica2采用 CC1000芯片;Mica3采用 Chipcon 公 司的 CC10

20、20芯片,传输速率可达 153.6kbp s ,支持 OO K 、FSK 和GFSK 调制方 式 ;Micaz 节点则采用 CC2420Z igBee 芯片。还有一类无线芯片本身集成了处理器 ,例如 CC2430 是在 CC2420的基础上集成了 51 内核的单片机 ;CC1010是在CC1000的基础上集成了 51 内核的单片机 ,使得芯片的集成度进一步提高。 WiseNet 节点采用的是 CC1010芯片。常见的无 线芯片还有Nordic 公司的 nRF905、 nRF2401等系列芯片 ,因为功耗较高 ,接收灵敏度比较低 ,开发难度较大 ,在实际的无线传感器网络中应用较少。常用无线芯片的

21、主要参数比较如表 4 所列。2.3 电源模块电池种类很多 ,电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一 般不易更换 ,所以选择电池非常重要 ,DC DC 模块的效率也至关重要 ;另外,还可以利 用自然界的能源来补充电池的能量。按照能否充电 ,电池可分为可充电电池和不可充电电池 ;根据电极材料 ,电池可以 分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电 池比可充电电池能量密度高 ,如果没有能量补给来源 ,则应选择不可充电电池。在可 充电电池中 ,锂电池和锂聚合物电池的能量密度最高 ,但是成本也比较高 ;镍锰电池和 锂聚合

22、物电池是唯一没有毒性的可充电电池。常见电池的性能参数如表 5 所列。无 线传感器网络节点一般工作在户外 ,可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界 可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。由于可充电电池的次数是有限 的 ,而且大多数可充电电池有记忆效应 ,因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电 , 否则会大大缩短电池的使用寿命。2.4 传感器模块传感器种类很多 ,可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理 量。美国 Crossbow 公司基于 Mica 节点开发了一系列传感器板 ,采用的传感器有光 敏电阻Clairex CL94L 、温敏电阻 ER T J1VR103J （松下

23、电子公司、加速度传感器 ADIADXL202 、磁传感器 Honeywell HMC1002 等。温湿度传感器 SH Txx 系列能支持 低功耗模式 ,采集完数据后自动转入休眠模式 ,电流小于 1A传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电 流工作的传感器 （几百 A 可, 由处理器 I/O 口直接驱动 ;当不用该传感器时 ,将I/O 口 设置为输入方式。这样外部传感器没有能量输入 ,也就没有能量消耗 ,例如温度传感 器 DS18B20 可以采用这种方式。对于大电流工作的传感器模块 ,I/O 口不能直接驱 动传感器 ,通常使用场效应管 （如 Irlm16402 来控制

24、后级电路能量输入。当有多个大 电流传感器接入时 ,通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制 ,MAX4678 就是 这样一款芯片。3结论由于应用背景不同 ,目前国内外存在很多硬件平台 ,采用的无线通信技术也有很 多种。本文主要总结了目前常见的无线传感器网络硬件平台,分析比较了常用的处理器、无线芯片、无线通信技术、传感器和电源 ,并始终把功耗作为考虑的重要比较因素之一。通过对无线传感 器网络硬件平台的详细分析 ,期望能对我国的无线传感器网络的研究和发展起到积极作用。参考文献1 孙利民 ,李建中,等.无线传感器网络 .北京:清华大学出版社,2005:110.2 Matt Wilczynski ,G

25、regory J.Wireless Integrated NetworkSensors (WINS :Distributed In Situ Sensing for Mission and Flight Systems Sandeep Vardhan ,Pottie ,University of California ,Los Angeles ,Los Angeles ,California ,90095IEEE 2000.3 Joseph Polastre ,Robert Szewczyk ,David Culler.Telos :En 2abling Ultra Low Power Wir

26、eless Research.Computer Sci 2ence DepartmentUniversity of California ,Berkeley IEEE 2005.4EnfrgyCentric Enabling Technologies for Wireless SensorNetworks Rex Min ,Manish Bhardwaj ,Massachusett s Insti 2tute of Technology IEEE Wireless Communications August 2002:2839.5 Robert Szewczyk.Telos :Enabling Ultra Low Power Wire 2less Research Joseph Polastre.Computer Science Department University ofCalifornia ,Berkeley 2005IEEE :364368.6 Christop her M.Hardware Design Experiences in ZebraNetPei Zhang.Sadler Department of Electrical Engineering Prin 2ceton Universit