一种低功耗无线传感器网络节点的设计

1、    一种低功耗无线传感器网络节点的设计        冯勇平，张 頔，罗 嵘 时间:2009年06月19日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>协议栈<"cblue" " target=

2、9;_blank'>无线传感器网络节点<"cblue" " target='_blank'>低功耗<"cblue" " target='_blank'>无线传感器网络<"cblue" " target='_blank'>硬件设计            摘 要： 设计了一种<"

3、cblue" " title="低功耗">低功耗<"cblue" " " title="无线传感器网络">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">

4、无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" ti

5、tle="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节

6、点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络

7、节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title=&qu

8、ot;无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点"

9、>无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点"

10、; title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感

11、器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传

12、感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title

13、="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点&q

14、uot;>无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点&

15、quot; title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="

16、无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">

17、;无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" t

18、itle="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络

19、节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网

20、络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title=&q

21、uot;无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点"

22、;>无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点&quo

23、t; title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传

24、感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线

25、传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" titl

26、e="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点&

27、quot;>无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点

28、" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="

29、;无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点"&g

30、t;无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点"

31、title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网

32、络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器

33、网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title=&

34、quot;无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点&quo

35、t;>无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点&qu

36、ot; title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线

37、传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无

38、线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" tit

39、le="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点

40、">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节

41、点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title=&quo

42、t;无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点"&

43、gt;无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点"

44、 title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器

45、网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感

46、器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title=

47、"无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点&qu

48、ot;>无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点&q

49、uot; title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点，并完成了TinyOS操作系统在该节点中的移植。该节点的<"cblue" " title="硬件设计">硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方面，与其他无线传感器网络节点平台相比功耗低、通信距离远。此外，为新的<"innerlink"

50、" title="MSP430">MSP430系列处理器改进了TinyOS的设计工具链环境，使得软件编写可以不局限于GCC编译器。将TinyOS操作系统移植到新节点上，实现了射频收发器CC2520的射频<"cblue" " title="协议栈">协议栈。关键词： 无线传感器网络；传感器节点；TinyOS无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在监测区域内大量的具有信息采集、数据处理和无线通信能力的微小传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其

51、目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观测者1。无线传感器网络可被广泛应用于军事、环境保护、医疗护理、智能家居、智能交通、智能建筑、工业控制和监视2、空间探测3等领域。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4包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。有些节点具有高性能，但功耗较大，如Imote2节点，不适用于能量受限的应用环境。其他一些节点，如Telos、Mica等，由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通

52、常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一5。本文节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能，实现了配备无线收发模块、微控制器模块、电源模块和I/O扩展接口的无线传感器网络节点。相比现有节点，该节点功耗更低、性能更优。TinyOS是适用在无线传感器网络应用的嵌入式实时操作系统，然而其无法很好地在新的硬件平台提供对TinyOS的支持，这成为限制其应用的主要瓶颈之一。本文改进了TinyOS的工具链环境，使得操作系统移植和软件开发工作可以摆脱GCC的限制，进而使得TinyOS可以应用于更广泛的硬件环境。本文基于改进的工具链环境，将TinyOS 2.1.0版本移植到新

53、的节点上，并且为节点所使用的CC2520无线收发芯片编写了驱动程序(在TinyOS语言中，称之为射频协议栈Radio Stack)。1 硬件设计无线传感器网络节点是网络的基本单元，节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文所设计的节点配备了基本的无线收发模块、微控制器模块、电源模块和I/O扩展接口。该节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方面，较之现在主流节点(如telosB、micaz等)，本文设计的节点采用了功耗更低的处理器芯片和性能更好的射频收发器芯片。处理器和无线收发模块

54、是节点的两个关键模块，本文所设计的节点选择了超低功耗处理器MSP430F2618和工作在ISM自由频段的射频芯片CC2520。处理器模块是数据处理、进程调度的核心单元，一般由MCU和扩展的存储器组成。根据WSN的低功耗要求，MCU芯片的选择标准包括：工作模式、工作电流、工作电压、唤醒时间等。无线通信模块是WSN 组网以及WSN与信息世界相连接的重要模块，一般由无线收发芯片和相应频率的天线组成。由于WSN 的无线通信倾向于无线电通信，所以选用工作在ISM 自由频段的射频芯片。本文设计的节点电路示意图如图1所示。?微处理器和CC2520之间通过SPI、GPIO、VREG-EN和RESETn信号进行

55、连接。SPI提供一个接口，通过该接口实现微处理器和CC2520之间的数据传递。CC2520有6个GPIO可以根据需要和微处理器进行连接。CC2520的工作模式有激活模式和两种低功耗运行模式。微处理器通过VREG-EN信号控制CC2520工作于低功耗模式。微处理器通过RESETn信号使CC2520在上电时复位。微处理器和3个不同颜色的<"innerlink" " title="LED">LED连接，通过灯的闪烁和颜色变化显示节点的工作状态。微处理器通过SPI接口和控制信号外接EEPROM，用来存储日志数据或相关数据。2 工具链设计Ti

56、nyOS是一个广泛应用于无线传感器网络节点中的操作系统。TinyOS的官方源代码树是围绕GCC构建的。TinyOS及TinyOS应用程序用nesC语言写成。nesC预编译器将nesC代码转换成目标平台上GCC风格的C代码。GCC编译器工具链（如MSPGCC）再将这些C代码编译成对应平台二进制映像。整个流程如图2所示。编译系统用输入的源代码生成用以下载到平台中的可执行文件或hex文件。GCC并不支持所有的处理器，如8051系列处理器。由于GCC及其衍生编译器(如MSPGCC)由开源组织维护，往往在更新速度上无法跟上处理器的发展。时至今日，MSPGCC仍然不支持MSP430F26xx系列的处理器。

57、由于GCC的语法风格和ANSI C不完全一致，nesC预编译器输出的C程序文件无法直接被大多数的编译器直接使用，从而限制了TinyOS在不同平台尤其是基于新处理器型号的平台上的应用。本论文所设计的节点使用的处理器MSP430F2618就是GCC不支持的。因此，将TinyOS移植到GCC不支持的平台上需要一些新的方法。本文所用方法的具体流程如图3所示。在图3中，用IAR工具链代替GCC工具链来生成目标平台上的二进制映像，这是MSP430处理器的官方推荐编译器，支持所有MSP430系列处理器。为了保留TinyOS并且为将来GCC支持本平台使用的处理器时移植方便，对工具链的扩展集中在nesC预编译器

58、之后和IAR编译-链接器之前。这里的解决方案是加入一级预编译程序，将GCC风格的C程序转换成IAR风格的C程序。因为在这个过程中，涉及到大量的文本处理，所以预编译程序用perl脚本语言写成。TinyOS使用GNU Make进行应用程序的管理。由于IAR工具链也提供完善的命令行调用接口，通过Linux平台上的Windows模拟器wine，可以很容易地将IAR工具链集成到TinyOS的GNU Make体系中。3 射频协议栈设计TinyOS并没有统一的设备驱动模型，这是源自其实用主义的设计思想和性能驱动的应用环境。TinyOS为不同类型的设备提供不同的设备驱动模型。在TinyOS 2.x版本中，射频收发器的设备驱动模型称为射频协议栈。在telos系列节点(包括telosa、telosb、moteiv等)上使用的CC2420射频收发器驱动的顶层模块由CC2420ActiveMessage C组件实现。TinyOS在此之上封装了与平台无关的AMSender C和AMReceiver C两个泛型组件供上