WSN节点的设计

1、1WSN节点的设计WSN节点的功能传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。WSN节点的组成结构传感单元：由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU存储器、输入输出接口及嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。通信单元：由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。能量供应单元：负责为传

2、感器节点提供运行所需的能量。设计原则低功耗(更换一次电池的使用时间尽量长)。设计中从硬件和软件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。良好的射频性能：同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距离也较大。节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。低成本：节点模块不能太多且不能太复杂。可扩展性：采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模块，比如传感器模块可以做一个通用口。现有无线传感器节点表1无线传感器节点的参数比较节点处理器射频心片工作频率(mcu)FlashKBRAMKB工作频段(MHZ)传输速率(kbps)调制方式公司MHz

3、MicaAtmega128LTR10001284916115OOK/ASKMica2Atmega128LCC10001284300-1000FSKMica2dotAtmega128LCC10001284300-1000FSKMica3Atmega128LCC10201284402-904GFSKMicazAtmega128LCC242012842400250O-QPSKMeshbeanAtmega128LCC242012842400250O-QPSKTmoteskyMSP430F1611CC242086022400250O-QPSKTolesMSP430F149CC24208481024002

4、50O-QPSKGainst-CC2430CC2430内嵌51内核）3232-12882400250DSSS注释:Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点MeshNetic公司Moteiv公司中科院宁波所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点同。其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gain

5、st-CC243冲点。下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、Gainst-CC2430节点做进一步比较：1.4.1现有无线传感器节点方案对比1、Atmega128L+CC2420成本：45+39=84元）ATmega128L是基于AVRRISC吉构的8位低功耗CMOS微处理器，工作速度可达8MIPS,工作电压是2.7V到5.5V。哈佛结构使程序和数据分开存储访问，程序执行效率更高，内置128K字节的Flash程序存储器，4K字节EEPROM4K字节的内部SRAM此外，ATmegal28L还有53个通用IO、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器

6、计数器、2个USART、1个面向字节的两线接口wTI、8通道10位ADG具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、1个SPI同步串行端口、与IEEE规范兼容的JTAG试接口，以及六种可以通过软件选择的省电模式。ATmega128L的最低工彳电压是2.7V,掉电模式的电流消耗小于15uA,采用ATmega128L的Mica2节点的待机电流消耗约16uA。MSP430F149+CC2420成本：+39次）是一片集成度高、功能丰富、功耗极低的16位单片机，工作电压18V到3.6V,具有个一个硬件乘法器，60K字节Flash,2K字节RAM,基础时钟模块包括1个数控振荡器（DCO和2个晶体振荡器；看门狗定时

7、器可用作通用定时器；带有3个捕捉比较寄存器的16位定时器；带有7个捕捉比较寄存器的16位定时器；2个具有中断功能的8位并行端口；4个8位并行端口；模拟比较器；12位A/D转换器；2通道串行通信接口。MSP430系列单片机最低工作电压为1.8V,实时时钟待机电流的消耗仅为uA，运行模式电流300uA（1MHz），从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在uA400uA之间，RAM在节电模式耗电为uA,等待模式下仅为uA。3、CC2430内嵌80C51内核（成本：65元）CC2430完全满足和ZigBee的应用,CC243婚别适合于低功耗系统的应用。 高性能和低功

8、耗的8051微控制器核。 集成符合标准的GHz的RF无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 强大的DMA功能。 32/64/128KB的片上可编程flash。 8KB的SRAM,在四种电源模式下有4KB的存储单元有数据保持能力。 很少的外设相连 低能耗（RX:27mATX:25mA微控制器工作在32MHz条件下） 在休眠模式时仅A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于wA的流耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持CSMA/CA功能。 较宽的电压范围（V）。 数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。 具有电池监测和温度感测功能。 一个通用的16位定时器，两个

9、8位的定时器。 支持硬件调试 集成了14位模数转换的ADG 集成AES安全协处理器。 带有2个强大的支持几组协议的USART以及1个符合IEEE规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。 强大和灵活的开发工具。1和2两种方案比较的话：明显看出2方案在功耗方面有明显的优势：Atmega128L的最低供电电压是，掉电模式的电流消耗小于15uA,采用ATmega128L的Mica2节点的待机电流消耗约16uA。相比较而言MSP430的最低工作电压是，实时时钟待机电流的消耗仅为uA,运行模式电流300uA(1MHz),从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。1MHz的时钟条件下运行，

10、耗电电流在uA400uA之间，RAM在节电模式耗电为uA,等待模式下仅为uA。2和3两种方案比较的话：图 2 CC2430(CC2431)节点图1MSP2430+CC2420节点成本方面:CC243065元/片，实现MSP430F149+CC243的点要元。外围电路的考虑：CC2430所需的外围电路少。MSP430+CC242除电源供电的时候考虑到数字供电对模拟部分（高频）的干扰，在一个板子上实现这样很难避免干扰。在外围晶振电路的考虑上，图1中需要3个晶振电路，而图2中只需要2个晶振电路。电源管理模块若采用图2方案，由于不需要对MCU和射频芯片分开来供电，这样就比较简单了。功耗方面：为了节省功

11、耗CC243赫四种电压管理模式（PW0-PW3耗能逐渐减少。外部中断使节点从休眠模式到正常工作模式所消耗的电流不到uA。CC2430采用SOC技术把MCU和射频单元做到一块芯片工作的能耗（RX:27mATX:25mA。而MSPF149+CC2420CC2420（RX:TX:mA）,力口上MSP430的功耗（到目前为止查阅了大量资料，还没有那篇论文上/手册上有明确提出方案2，在不同的工作模式下的能耗是怎样的只有谈到MSP430这块芯片的具体耗能），总体上感觉采用SOC技术的产品能耗更具有优势。从无线传感器技术的发展来看，MCU和射频单元能够做到一块片子上，是以后发展的一个趋势，这样可以把节点做的

12、更小。Intel和Chipcon都在做这方面的工作。（CC2430芯片为Chipcon公司产品）。综上所述我们开发节点选用方案3比较合适。2硬件平台设计CC2430芯片主要技术指标CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外GHz频率的其他设备。CC2430芯片的主要特点CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯

13、片上整合了ZigBee射频(RF前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051),具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdogtimer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用区mCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合

14、那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430芯片的主要特点如下： 高性能和低功耗的8051微控制器核。 集成符合标准的GHz的RF无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于wA的流耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持CSMA/CA功能。 较宽的电压范围（V）。 数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。 具有电池监测和温度感测功能。 集成了14位模数转换的ADG 集成AES安全协处理器。 带有2个强大的支持几组协议的USART以及1个符合IEEE规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。

15、强大和灵活的开发工具。CC2430芯片的引脚功能CC2430芯片采用7mmx7mmQLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。2.3.1I/O端口线引脚功能CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC计时器或USAR唐B件的外围设备I/O口使用。I/O口有下面的关键特性：373OV 38口39JD 41SOOD 心 EOICKQXVIEdd3 kolosoK/EIEd44345#468Qd7 dBP1.7 1115

16、po; u24FWEGbuL 23A 21XosnQL 2DAUEgQq 19xso8 18PQ_717PSAGNDExposed die 却设tied pad36AVDDRF235AVQCLSW34RF.N33TXRX.SWFCH32RF_P31AVDD_RF130AVDO_PRE29AVDD.M828VCO_GUARD27AVDDXHP26RBIAS225AVDD_IF1图3CC2430K片 可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用 在输入时有上拉和下拉能力。 全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被

17、用来唤醒休眠模式。16脚(P1_2P1_7):具有4mA输出驱动能力。8，9脚(P1_0，P1_1)：具有20mA的驱动能力。1118脚(P0_0P0_7):具有4mA输出驱动能力。43,44,45,46,48脚(P2_4,P2_3,P2_2,P2_1,P2_0):具有4mA输出驱动能力。2.3.2电源线引脚功能7脚(DVDD):为I/O提供V工作电压。20脚(AVDD_SOC:为模拟电路连接V的电压。23脚(AVDD_RREG：为模拟电路连接V的电压。24脚(RREG_OUT:为25,2731,3540引脚端口提供V的稳定电压。25脚(AVDD_IF1：)为接收器波段滤波器、模拟测试模块和V

18、GA的第一部分电路提供V电压。27 脚(AVDD_CHP)：为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供V电压。28 脚(VCO_GUARD)：VCO屏蔽电路的报警连接端口。29 脚(AVDD_VCO):为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供V电压。30 脚（AVDD_PR）E:为预定标器、Div2和LO缓冲器提供V的电压。31脚（AVDD_RF1:为LNA、前置偏置电路和PA提供V的电压。33脚（TXRX_SWITC）H:为PA提供调整电压。35 脚（AVDD_SW）:为LNA/PA交换电路提供V电压。36 脚（AVDD_RF）2:为接收和发射混频器提供V电压。37 脚（AVDD_IF2）:为低

19、通滤波器和VGA的最后部分电路提供V电压。38 脚（AVDD_ADC）:为ADC和DAC的模拟电路部分提供V电压。39 脚（DVDD_ADC）:为ADC的数字电路部分提供V电压。40 脚（AVDD_DGUARD）:为隔离数字噪声电路连接电压。41脚（AVDD_DREG:向电压调节器核心提供V电压。42脚（DCOUPL）:提供V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。47脚（DVDD:为I/O端口提供V的电压。2.3.3控制线引脚功能10脚（RESET_）N:复位引脚，低电平有效。19脚（XOSC_Q）2:32MHz的晶振引脚2。21脚（XOSC_Q）1:32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。

20、22脚（RBIAS1）:为参考电流提供精确的偏置电阻。26脚（RBIAS2:提供精确电阻，43kQ,士1%。32脚（RF_B:在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。34脚（RF_N）:在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。43脚（P2_4/XOSC_Q2）:kHzXOSC的端口。44脚（P2_4/XOSC_Q1）:kHzXOSC的端口。电路典型应用2.4.1硬件应用电路CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。图4为CC2430芯片的内部结构和外围电路。电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可

21、使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Q）的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32MHz的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C211）构成一个32MHz的晶振电路。用1个kHz的石英谐振器（XTAL2和2个电容（C441和C431）构成一个kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求V电压的引脚和内部电源供电，C241和C421电容是去耦合电容,用来电源滤波,

22、以提高芯片工作的稳定性。R221Antenna(50Otim)oaoa DIPOF- FF图4CC243的典型应用电路表2CC243噢型应用外围部件一览表ComponentDescriptionSingleEnded50GOutpdtDifferentialAntennaC191C211乂MHzcrystalloadcapacitor22pF,5%,NP0r040222pF5%.NP0rfl402C241,C421Load二3口autanc三口pciftersudafvoltageregulators220nF,10%,0402220nF,10%,0402C341DCWocKtoamennaa

23、ndmatch5.6pF,*/*0.25pF,NPO.0402Notused0431.C4413276BkHzcrystalloadcapacitor(iflow-frequencycrystalisneededinapplitatior)15pF.5览NFV。如215pF5%,NPO,C4(J2L321Discrete匕田unandimtch8.2nH,5%,MonolftfiiG/multilayer.040227nH,5%.Monolitlic-iTMjhlayer,0402L331Discretebalunandmatch22nHr5%:MonoUthcMJltilayer,04021

24、2nH,5%.Monolit憎品nuhi期er,0402L341Discretetiunandmatch1.8nH.5%.hAonoirhic/multilayer0402NotusedR221Precisionresistorforcurrentreferencegeneratortosystenwn-ctlippart56kQ1%,040256kn,1%,0402R261Pnedsiooresistorcurrentreference9eoeraiortoRFpart43g1%：040243kfl1%:0402XTAL132MHzCrystal32MHzcrystal,E8R56、响应时间：Tresc10秒7、恢复时间：Trecc30秒2.5.3加速度传感器：ADI公司ADXL202价格：210元ADXL202是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器，其测量范围为2g。ADXL202既能测量动态加速度（如振动加速度），又能测量静态加速度（如重力加速度）。ADXL202可输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器，而不需A/D转换或附加其它电路。输出信号周期在10ms范围内，可用外接电阻RSET调节。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出，则可从XFIL丽YFILT管脚输出信号，或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后