低功耗无线传感器网络节点的设计与实现

1、分类号UDCTN929621.3密级公开D-10617-308-(2015)-01063重庆邮电大学低功耗无线传感器网络节点的设计与实现中文题目The Design and Implemenion of Low英文题目er Wireless Sensor Network NodeS120101066学号姓名工学学位类别信息与通信工程学科专业教授指导教师2015 年 5 月 24 日完成日期摘要随着无线通信技术的高速发展，无线传感器网络越来越多的被应用于生活生产的各个领域，例如军事、工业和交通等许多方面。无线传感器网络在组网、传输等许多机制上已经比较成熟，可以适应大部分的应用场景，但在某些特殊领

2、域，因其需求特殊性，需要对硬件以及网络协议重新定制。环境测控是无线传感器网络的一个具体应用场景，通过布设在建筑物环境中的大量传感器节点，能够实时地对建筑物环境进行监测与控制，环境测控网络对节点功耗要求较高。本文的目标是设计一种低功耗的环境测控网络节点，节点设计采用了处理器MSP430F149 和射频CC1100 相结合的方案。处理器能耗相对较低，具有多种低功耗模式，能够根据不同的应用场景选择相应的低功耗模式。射频具有载波侦听和无线唤醒的模式，可以从无线通信的角度降低硬件功耗。在处理器和射频选型的基础上，结合环境测控网络需求，完成了环境测控网络节点核心电路及其功能模块原理图的设计。为降低节点功耗

3、，延长节点使用时间，需要选择高效可裁剪的操作系统，制定低功耗的网络协议。调度选型中，选取了 C/OS-操作系统，在操作系统移植和裁剪的基础上，设计了具有物理层、链路层、网络层和应用层的协议栈软件。本文在满足应用需求的前提下，网络层采用了树型网络，树形网络组网方式相对简单，能够有效降低系统功耗。应用层设计根据节点功能的不同分别设计了分时模式和无线唤醒模式。为验证设计的正确性，对所做工作进行了测试和分析。表明，网络节点满足环境测控要求，达到预期设计目标。本文设计的低功耗环境测控网络节点还有需要进一步完善和改进的地方，最后对全文所做工作进行总结，并提出展望。：无线传感器网络，环境测控网络，低功耗网络

4、节点模块，MSP430F149，CC1100AbstractWith the radevelopment of wireless communication technology, wirelesssensor network has been usedore and more various fields of life and production,such as military, industrial and transporion and so on. Wireless sensor network hasbeen relatively maturehe network, trans

5、misand many other mechanisms, andcan be appd in most of the scenes, but in some spel fields, the hardware andnetwork protocols should be customed because of the spel needs. Environmentalmonitoring and control is a concrete application of wireless sensor network scenarios,and capable of real-time mon

6、itoring and control of the building environment by a largenumber of sensor nodes layinghe building. Environmental monitoring and controlnetwork has a higher requirement on theer consumption of the nodes.The pure of this pr is to design a lower consumption of Environmentalmonitoring and control netwo

7、rk nodes and we use the program of prosorMSP430F149 and RF chip CC1100his pr. Theer consumption of the coreprosor is relatively low wivariety of lower modes and the core prosorcan be selected the corresponding lower mode according to the differentapplication scenarios. RF chip can reduce the hardwar

8、eer consumption from theof wireless communication with carrier sensing and Wake On Radio mode.On the basic of prosor and RF chip selection， we completed the design ofenvironmental monitoring network node core circuit and its function module schematic combined with requirements of the environmental m

9、onitoring and control network.In order to reduce theer consumption and extend the work time of the nodes,we need to choose efficient and scalable operating system and develop a low-ernetwork protocol. We select the C/OS- operating system and design the protocol stack software with physical layer, li

10、nk layer, network layer and application layer on the basic of migration and cutting of the embedded operating system. The scheme uses a tree network on the premise of meeting the application requirement. The tree network is relatively simple and can effectively reduce the er consumption of the syste

11、m. The application layer design uses the Time Sharing mode and Wake On Radio modeaccording to the different function of the nodes.Finally, we test andyze the work of this thesis to verify the correctness of thedesign. The test results showt the network nodes meet the requirements ofenvironmental mon

12、itoring and control network and the expected design goals areachieved.Lower wireless sensor network nodes designedhis pr need to befurther perfected and improved, and finally we summarize the full text work and putforward the prospects.Keywords: Wireless Sensor Networks, Environmental monitoring and

13、 controlnetwork, Lower network nodes module, MSP430F149, CC1100目录图录VII表录IX注释表X第 1 章1.11.21.31.4第 2 章2.1绪论1课题背景与意义1国内外发展现状2课题内容3结构安排4低功耗无线传感器网络节点与分析5无线传感器网络概述5无线传感器网络的应用6环境测控无线传感器网络7环境测控网络节点低功耗的必要性和能耗分析8节点低功耗设计的必要性分析8节点能耗分析9环境测控网络节点的能耗优化技术10硬件设计低功耗10协议栈设计低功耗11本章小结13低功耗无线传感器网络节点设计14环境测控网络节点需求分析14环境测控节

14、点功能需求分析14环境测控节点性能需求分析15环境测控网络总体设计16环境测控网络节点硬件设计182.22.32.4第 3 章3.13.23.33.3.1处理器低功耗设计193.3.2 无线模块低功耗设计20环境测控网络节点软件设计213.43.4.13.4.23.4.3需求分析22选型23任务管理调度协议栈设计253.5节点低功耗工作模式设计25分时模式26无线唤醒模式26本章小结26低功耗无线传感器网络节点硬件设计28总体硬件电路设计28处理器电路设计29无线通信电路30模块设计30电源模块设计31串口模块设计31SPI 接口模块设计32其他模块设计33本章小结34基于C/OS-的低功耗无

15、线传感器网络软件设计35环境测控网络软件整体结构35C/OS-移植与裁剪363.6第 4 章4.14.24.34.44.54.64.74.84.9第 5 章5.15.25.2.15.2.25.2.35.2.4OS_CPU_H.H 设计37OS_CPU_C.C 设计38OS_CPU_A.S 设计38C/OS-裁剪415.3物理层设计42SPI 驱动设计概述42SPI 总线驱动设计435.3.35.3.45.3.5物理层信道评估46物理层数据传输47物理层帧格式495.4MAC 层设计495.4.15.4.25.4.3MAC 层避免机制50MAC 层无线唤醒机制51MAC 层数据帧格式525.5网

16、络层设计53网络层树型网络结构53网络层数据帧格式54应用层设计55协议栈的调度58本章小结61测试与验证625.65.75.8第 6 章6.16.26.36.46.5硬件测试62基本功能测试63硬件功耗测试64无线通信可靠性测试65本章小结66第 7 章 总结与展望67参考文献68附录 无线唤醒寄存器73致谢74攻读学位期间从事的科研工作及取得的成果75图录图 2.1图 3.1图 3.2图 3.3图 3.4图 3.5图 4.1图 4.2图 4.3图 4.4图 4.5图 4.6图 4.7图 4.8图 4.9图 5.1图 5.2图 5.3图 5.4图 5.5图 5.6图 5.7图 5.8图 5.

17、9717 18192022282930313132 323334353641 4344444548485051环境测控网络系统总体功能模块图节点总体设计方案硬件设计框图MSP430F149 低功耗模式环境测控网络节点协议栈整体框架环境测控网络模块结构处理器原理图无线原理图模块原理图电源模块原理图串口模块电路原理图SPI 接口模块电路图传感器原理图JTAG 硬件原理图协议栈的总体框架C/OS-系统组成结构图C/OS-裁剪示意图CC1100 单个寄存器配置时序图 CC1100 连续寄存器配置时序图 CC1100 单个寄存器读配置时序图 CC1100 连续读寄存器配置时序图数据发送流程图数据接收流程

18、图图 5.10 CSMA/CA 算法流程图图 5.11 无线唤醒流程图图 5.12图 5.13图 5.14图 5.15图 5.16图 5.17汇聚节点工作流程图555657576061626363646466中继节点工作流程图测量节点的工作流程图控制节点的工作流程图任务执行的流程图任务状态转换图 6.1图 6.2图 6.3图 6.4图 6.5图 6.6时钟源测量结果无线模块测量结果测试环境功能温度变化折线图丢包率变化折线图表录表 3.1表 4.1表 4.2表 5.1表 5.2表 5.3表 5.4表 5.5表 5.6表 5.7表 5.8表 5.9Tinyos 与C/OS-对比24处理器与射频的引

19、脚连接33JTAG 引脚定义34LQI 字节结构46物理层帧格式49MAC 层数据帧格式52控制域字段含义52MAC 层帧的 NAV 字段53网络节点路由参数表54网络层通用帧格式55应用层数据帧格式58各层任务优先级58表 5.10 邮箱相关函数及功能59表 6.1表 6.2表 6.3电源模块测量结果62不同工作模式下的节点的电流65丢包率. 66注释表Central Prosing Unit，CPU SPI WSN DPM DVS RTOS SOC DCO VLO LPM RISC UHF FIFO RSSI CCA LQI CRC FEC MAC BSL WOR NB CWBE处理器Se

20、rial Peripheralerface，串行外设接口Wireless Sensor Network，无线传感器网络Dynamicer management，动态电源管理Dynamic Voltage Scaling，动态电压调节 Real Time Operating System，实时操作系统 System on Chip，片上系统Digital-Controlled Oscillator，数字控制振荡器Very-Low-er Low-Frequency Oscillator，低功耗低频振荡器Lower Mode，低功耗模式Reduced Instruction Set Computin

21、g，精简指令集Ultra High Frequency，特高频无线电波InputOutput，先入先出队列Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示 Clear Channel Assessment，空闲信道评估Link Quality Indicator，链路质量指示 Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验Forward Error Correction，前向纠错Media Acs Control，介质控制Bootstrap Loader，引导装配程序 Wake On Radio，无线唤醒 Number Of Back，后退

22、次数Content Window Length，碰撞窗口的长度Backoff Exponent，后退指数第 1 章 绪论1.1 课题背景与意义随着无线通信相关硬件以及协议的不断发展，无线传感器网络应用范围越来越广，目前已经被使用在、物联网等许多领域，网络节点逐渐向小型化、低功耗的方向发展1。目前，无线传感器网络在组网、通信机制上已经非常成熟，但是在某些特定低功耗领域未取得实质性的突破，影响了这项技术的应2。用前景，最大化能量利用率，延长网络节点的使用周期，成为的巨大环境测控是无线传感器网络典型的应用场景，本文所设计的低功耗节点就是针对环境测控领域。以低功耗设计为前提，设计一种低功耗的无线通用模

23、块。通过分布在建筑物中的测量节点和控制节点对环境进行实时参数与控制，可以根据具体环境测控的参数要求，添加具体传感器与控制器，并将到的参数信息以及命令通过无线网络进行传送，从而达到对环境的测量与控制。环境测控节点采用电池供电，对功耗要求较高，节点位置不会轻易变动，不需要复杂的组网方式。测量节点可以根据实时精度需求采用分时的方式将信息上传，控制节点能够接收命令，执行控制命令。在设计环境测控节点的硬件时，就将低功耗节能需求作为设计前提，在硬件低功耗的前提下，进行低功耗软件的设计，根据环境测控领域节点功能需求的不同，分别制定不同的低功耗工作模式，降低环境测控网络节点的功耗。首先，本文以网络可靠性和低功

24、耗为前提，针对处理器和无线模块，分别进行了针对低功耗的选型分析，设计了一种处理器和无线模块相结合的硬件方案。其次，在低功耗硬件选型与设计的基础上，进行了高效调度的移植与裁剪，并进行了低功耗协议栈分层的设计。最后根据节点的工作要求，对测量节点和控制节点分别制定了分时和无线唤醒的工作模式。本文所设计的低功耗环境测控网络节点能够有效降低节点功耗，延长节点使用。网络节点的低功耗设计对于传感器网络的推广具有重要意义，社会，能源越来越紧缺，如何最大化能源使用率成为迫切需要解决的问题，低功耗设计顺应这一趋势和要求。1.2 国内外发展现状无线传感器网络是学术界备受关注的方向，涉及了传感器、无线通信和计算机等技

25、术3。在网络点之间能够通过自组网的协议，组建网络，建立之间的关联，同时可以利用无线信道互相通信，从而达到对应用对象实时监测的功能4。目前，这项技术已经被使用在医疗、军事、物联网等很多领域。经过几十年的发展，这项技术已经有了很大的发展，已经诞生了很多的优秀成果，但总体上还处于起步阶段，随着该领域技术的发展与成熟，这项技术将对人类生活产生深远的影响，其巨大的市场潜能逐渐受到了很多国家的关注。交通部早在十几年前就提出了“智能交通规划”，该计划将这项技术应用在交通管理领域，集成了无线通信技术，数据处理技术和分布式管理技术等多项前沿技术，通过建立交通信息管理系统，对复杂的城市交通系统进行监测与调度5。在

26、系统中，每辆车都是系统中的节点，通过自组网、多跳的方式与管理中心建立联系，能够将车辆的位置信息，速度信息实时地传递到管理系统中心，管理系统中心综合路况信息对车辆进行调度，从而保障城市交通系统能够更好地运行，同时，智能交通系统也为未来自动驾驶技术打下坚实的基础。快速发展的无线传感器网络技术也引起了科技企业的重视6 ，英特尔早在十几年前就提出了关于微型传感器网络的相关计划，例如，在智能家居领域，英特尔通过将传感器与家电设备相结合，这些传感器设备能够以无线的方式将家电设备的运行状况、耗电信息等传递到管理中心，使消费者更了解家电设备的能源使用情况，得到更高效的能源使用方案。在国家，越来越多的学术开始重

27、视无线传感器网络。中国科学项目7。国内很院就在知识创新工程试点领域方向中，将其作为重点多高校，如、哈尔滨工业等大学也将这项技术加入领域，国内的很多企业，在物联网的科技浪潮时，也纷纷加入到该领域的科研中，陆续成立了“中国无线传感网产业发展”等许多相关组织8。随着无线传感器网络的普及与发展，不同的应用环境对节点提出了更高的要求，比如环境测控领域，对节点的功耗要求较严格。目前节点采用的方案功耗较高，如 CC2530 无线传感器节点，采用了 51 内核，工作电流在毫安级，典型发送电流为 29mA，接收电流为 24mA，需要从节点的硬件选型等方面降低节点功耗。随着人们对低功耗无线传感器网络的重视，无线传

28、感器网络相关将步入高速发展的时期，进行无线传感器网络这项对未来生产生活有影响的探索，具有重大的意义。1.3 课题内容本文所的环境测控网络，以低功耗的处理器和射频为基础，进行嵌入式调度的选型、移植与裁剪，在此基础上完成具有分层结构的协议栈设计，设计目标是利用环境测控网络节点能够对环境的温度等参数进行实时测量与控制。环境测控网络对节点功耗要求严格，设计时必须以低功耗为前提，本文围绕环境测控网络展开了以下几个方面的：1.2.3.4.环境测控网络的系统结构和。环境测控网络的能耗分析以及降低能耗的途径。环境测控网络硬件选型，处理器和无线模块硬件设计。环境测控网络调度选型、协议设计。基于上述内容，本主要成

29、果有：1. 处理器模块选取了 MSP430F149，具有五种低功耗模式，可以适应于多种应用场景，无线射频选取了CC1100，利用无线线唤醒模式降低节点功耗。较低的工作频率和无2.3.4.以处理器MSP430F149 和无线选取了C/OS-作为协议栈调度CC1100 为基础，进行原理图的设计。，完成了调度的移植与裁剪。在任务调度的基础上，设计了具有物理层、链路层、网络层、应用层的四层网络协议。5. 物理层主要进行了驱动程序设计，数据传输相关帧格式的定义。6. 链路层采用了路层数据格式定义。避免、无线唤醒等工作机制降低节点功耗，并进行了链网络层根据环境测控网络具体需求，采用了两级树形网络对节点进行

30、管理。应用层根据网络节点不同的功能需求，设定了分时和无线唤醒的工作模式。1.4结构安排本分为七章。1第章主要介绍无线传感器网络的背景和意义，国内外发展现状，内容和结构安排。第2章主要对环境测控网络的特点、系统结构、节点能耗、低功耗设计的必要性分析和节能优化进行了介绍。然后从硬件低功耗设计和协议栈低功耗设计两个方向进行了介绍。第 3 章主要首先介绍了环境测控网络整体结构，节点类型和具体功能。在此基础上，针对低功耗的要求，分别进行了硬件方案的设计，包括处理器的选型与低功耗设计以及无线通信模块的选型与低功耗设计。其次，在硬件设计的基础上，进行了任务管理设计的必要性分析，并进行了调度的选型分析与介绍，

31、并介绍了基于调度的上层协议分层设计：物理层，链路层，网络层，应用层。最后，针对环境测控网络中存在的节点类型，分别设计了低功耗优化的两种工作方式，传感器节点采用的分时模式以及控制节点采用的无线唤醒模式，并对分时模式和无线唤醒模式进行了具体的介绍。第 4 章主要进行了低功耗节点的原理图设计，包括电路总体结构以及处理器和无线通信的选型分析，同时进行了处理器模块、无线通信模块、电源模块、模块、串口通信模块、SPI 接口模块以及其他模块的原理图设计。第 5 章主要介绍了环境测控网络协议栈的整体结构，选取了 C/OS-作为任务管理，进行了 C/OS-调度的移植，主要涉及调度中数据类型，任务堆栈，任务切换，

32、多任务处理函数，中断切换和时钟节拍，然后设计了具有物理层，链路层，网络层，应用层的低功耗协议栈，最后介绍了协议栈的调度管理。第 6 章主要对节点的功耗，调度的移植，丢包率等进行了测试。第 7 章对全文进行了总结与展望。第 2 章 低功耗无线传感器网络节点与分析随着无线传感器网络的发展，这项技术逐渐被应用于军事、医疗等场景中9，但在某些特殊应用场景中，对节点提出了特殊的要求，本文目的是设计一种应用于环境测控领域的低功耗节点。首先分析了系统组成与特点，然后介绍了应用场景，环境测控领域的特殊性对网络节点的功耗提出了更高的要求，进而对节点能耗与能耗优化技术进行了分析，最后从硬件和协议栈两个角度提出了降

33、低能耗的途径。2.1 无线传感器网络概述10。终端节无线传感器网络是由终端节点、中继节点和汇聚节点三部分点主要由电源模块、处理器模块、无线通信模块和传感器，中继和汇聚节点主要由电源模块、处理器模块和无线通信模块组成11。三种节点通过内嵌无线协议，组建分布式网络，将传感器数据和命令经过无线信道进行传递。终端节点能够利用传感器收集环境参数信息，通过无线网络将环境参数发送给汇聚节点；中继作为传输中转站，用于接收环境参数信息，并将其转发到汇聚节点；汇聚节点作为汇聚中心，作用为接收该网络中全部终端节点数，并将数据处理后，上传到上位机12。的环境参无线传感器网络与计算机网络不同，具有以下特点：微型化硬件系

34、统。节点大多采用微型处理器，处理能力有限。移动电源供电。节点大多采用电池供电，为了减少人为更换电源的繁琐，如何加大节点电量，并减小节点电源消耗，成为无线传感器网络的重点领域之一。3. 自组织。节点之间能够以自组织的形式建立一个单跳或多跳网络13。4. 节点通信距离有限。节点利用移动电源作为能量来源，有限，覆盖范围一般为几十米。如果需要通信的节点之间距离过大，则需要中继对消息进行转发。动态拓扑。无线传感器网络节点位置有可能变动，网络拓扑结构会因为节点位置变动等发生变化14。任务型的网络。无线传感器节点根据不同的应用领域具有不同的功能定义，终端节点负责或者控制命令的执行，中继负责消息转发，汇聚节点

35、负15。责网络组建与难度高16。噪声干扰或者信号泄露节点数目多。网络节点数目比较多，分布范围广，安全性的问题。在具体的应用中，无线信号会等风险，无线通信过程中，需要进行CRC 校验、加密等安全机制。2.1.1 无线传感器网络的应用传感器节点可以任意地分布在监测环境中，利用无线信号形成一个多跳、自组织的网络来完成信息 、传输和处理17，应用前景非常广阔，随着相关技术的成熟，已经广泛应用于各个领域18。1. 工业领域在工业环境中，通过网络节点可以对设备运行情况进行实时监测，如果发生信号可以通过无线网络及时传送，通知相关处理，同时可以利用无线网控制19。络，在某些领域实现2. 智能交通在智能交通领域

36、可以通过网络节点对车辆进行，实时监测车辆位置与时速，成为车联网、自动驾驶技术的基础。3. 医疗护理在医疗护理领域，科学家组建了一个智能医疗系统，利用网络节点来监测病人的身体指标以及的活动状况20。英特尔公司开发了家庭护理技术，这项技术通过在家用设备中嵌入传感器，利用无线通信将各设备联网，从而方便人们的生活21。4. 自然的预防在一些容易发生泥石流、滑坡等自然的地方，使用网络节点及时、长期地对这些地方的地形变化、各种环境的监测，相关数据并进行分析，可以提前发出，采取相应措施防止自然进一步的发生。5. 环境的监测和控制环境中存在着大量的信息需要处理，利用分布在环境中的网络节点可以对环境进行参数，利

37、用无线网络还可以避免传统有线方式带来的繁琐、更换不易、易损坏等各种问题22。本文所设计的低功耗网络节点就是针对环境领域，通过在环境中布设网络节点，实现对环境的实时。2.1.2 环境测控无线传感器网络环境测控是无线传感器网络的一个具体应用场景，通过布设在环境中的大量的传感器节点，能够实时的对建筑物环境进行监测与控制23。环境测控网络包括汇聚节点、中继节点和终端节点三种设备类型，终端节点根据功能不同又可分为测量节点和控制节点，节点之间以无线的方式建立通信，实现对环境的测控24。在环境测控网络点之间以树形拓扑方式进行组网。汇聚节点的任务是进行树形网络的建立、网络的以及与中继和终端节点进行数据的交互，

38、可以接收上位机令，并将命令通过树形网络发送到终端节点，同时可以接收终端节点的传感器数据，转发到上位机25。负责环境测量的终端节点能够定时将的传感器数据上传到汇聚节点，负责环境控制的终端节点能够监测到汇聚节点发送令并执行。在环境测控网络中，汇聚节点和终端节点之间的无线信号被障碍物遮挡或者距离过长无法到达时，中继可以将无线信号转发，保障汇聚节点和终端节点的正常通信26。环境测控网络示意图如图 2.1 所示。环境测控网络在网络结构与系统功耗等方面与传统无线传感器网络不同，具有以下特点：1. 高效的网络结构环境测控网络中的测量节点和控制节点位置固定，不需要经常移动，负责固定领域的环境数据测量与设备控制

39、。网络结构有星型，树形和网状网等多种形式，在环境测控领域中，选择树形的网络结构，既可以满足三层网络拓扑需求，又可以通过简化组网算法，节省功耗。2. 资源有限环境测控领域中的节点设计以节能为前提，采用微处理器，电池供电，各种资源有限，需要采用数据压缩等措施，减小无线通信的数据量，从而降低功耗。3. 节点间通信可靠性问题在环境测控领域中，无线信号可能被一些物干扰，当汇聚节点和终端节点之间无法直接通信时，需要中继进行转发，保证系统可靠性。为保证系统安全性，在传输的过程中加入密钥管理，接入认证，采用多种校验方式、扩频通信机制等多种数据加密机制，保证系统安全运行。4. 系统功耗问题环境测控领域中的终端节

40、点多采用电池供电，节点能量有限，网络中存在着大量的节点，更换较繁琐。为减少电池更换频率，必须从终端节点的工作方式等多角度进行节能优化，尽量延长终端节点的工作时间。2.2 环境测控网络节点低功耗的必要性和能耗分析2.2.1 节点低功耗设计的必要性分析在环境测控网络中，终端节点负责，分布在被测量环境的各个位置，将到的信息上传。终端节点采用电池进行供电，有限的能源成为制约节点生命周期的关键，如何最大限度的降低功耗，扩展使用成为亟待解决的问题，因此网络节点的低功耗设计非常重要27。本文目的是在保证节点基本功能的前提下，从硬件与软件两个层面降低节点功耗，从而延长节点使用时间，降低传感器节点电源的更新频率

41、，降低系统成本。网络节点的超低功耗技术，对于传感器网络的推广具有重要意义，网络热点28。节点的低功耗成为学术界的一个社会，能源越来越严重，也逐渐受到人们的重视，低功耗设计顺应这一趋势和要求。2.2.2 节点能耗分析环境测控网络节点能耗主要是处理器模块、无线通信模块和传感器模块的功耗29。节点能耗分析如下。1. 处理器计算在环境测控网络中，处理器主要负责数据的处理计算，在组网、传感器数据、无线射频模块通信中，都需要处理器的参与。处理器占据了功耗的很大比重，对其处理过程进行低功耗优化，对降低节点能耗尤为重要。2. 无线模块收发网络节点的能耗中，无线通信模块占据了很大的，除了对处理器进行低功耗选型与

42、低功耗的优化设计外，无线通信模块的低功耗优化对于降低节点功耗非常重要。无线通信模块的状态一般为 4 种：发射、接收、空闲和睡眠状态。发射状态是指节点正在进行数据发送，接收状态是指节点正在进行数据接收，这两种状态消耗能量较多。空闲状态点处于空闲状态，消耗功耗较小，空闲状态下，节点能够在短时间内转换为接收状态。睡眠模式时射频处在低能耗状态，功耗最低。无线通信模块发射和接收能耗主要分为两部分，进行无线数据收发的射频部分以及进行频率、滤波等操作的基带部分。可以利用无线模块的低功耗特性对无线模块进行低功耗优化，如载波侦听避免与无线唤醒功能，可以降低无线通信模块的功耗。3. 传感器消耗网络中的终端节点在、

43、控制命令的执行中，消耗了大量的能量，因此，在具体的应用场景中，在满足基本需求的前提下，选取能耗较低的传感器，延长节点使用时间。4. 协议栈处理在网状网的网络拓扑中，网络节点之间采用自组网和多跳的方式进行通信，网络组网方式复杂，功耗较高。在满足应用场景需求的前提下，应该采用简单的组网方式与组网算法。在协议栈对数据的处理过程中，是以分层的形式实现，数据按照协议栈的分层结构，层层处理，根据低功耗需求，采用有效的数据处理方式，可以从协议栈的角度降低功耗30。2.3 环境测控网络节点的能耗优化技术环境测控网络可以通过多种方式进行节能优化：在单个节点的设计上，可以通过选择低功耗的硬件；在网络组网方式的设计

44、上，可以采用简单的组网方式等降低节点间通信的功耗。2.3.1 硬件设计低功耗网络节点的低功耗设计是一项软硬件结合的综合技术，鉴于网络中存在多种设备，可以通过设备间协议的不同，有针对性的进行低功耗优化。在某些领域中，监测对象的数据是随时变化的，因此网络中的处理和通信需求也在不断变化中，可以在实时的环境数据处理中，加入能耗主动式管理，还可以根据节点功能的不同，设置不同的工作模式，根据不同的工作模式进行有针对性的优化设计，这些措施都可以降低环境测控网络节点的功耗。在环境测控网络中硬件的低功耗设计主要从以下几个方面展开：1. 硬件选型在环境测控网络中，处理器占据了很多的能量资源，所以选择处理器时，在保

45、证性能的前提下，选择能耗较低的处理器，本方案选取了 MSP430F149 处理器，具有多种低功耗模式，能够适应多种应用场景。在满足基本需求的前提下，适当降低时钟频率和处理器的工作电压，能够有效降低节点功耗31。在选取射频时，能充分利用射频的载波侦听和无线唤醒模式，从无线通信的角度降低硬件功耗32。对于以为主的终端节点，利用中断模式控制节点的工作状态。当节点无需工作时，处于低功耗模式；当需要工作时，定时器中断唤醒，节点在每个工作周期的大部分时间都处于低功耗模式，从而降低节点功耗。2. 节能计算在低功耗硬件选型的基础上，可以通过多种途径进行功耗优化。例如可以通过 DPM 等技术选择性的打开或关闭节

46、点中各个模块，将无需工作的模块关闭或者设置为低功耗模式，当需要时，进行中断唤醒，从整体上降低系统功耗。DPM 的问题是状态调度策略，不同的状态有不同的功耗特征，能够根据不同的工作需求调节模块状态，进而降低系统功耗。DVS 技术降低节点功耗。在很多情况下，对于处理器的要求并非一直保持在最佳性能，对于处理器的要求是动态变化的，通过动态电压管理，使微处理器的工作电压能够满足应用需求，在性能和功耗之间达到平衡。大多数处理器支持动态电压范围，在满足工作条件的前提下，根据应用场景需求，适当降低节点工作电压，有效降低处理器功耗。3. 无线通信能耗管理环境测控网络的能耗中，无线通信模块也占据了较大的，对无线通

47、信的管理对于降低节点功耗非常重要。无线通信模块能耗主要分为两部分：无线数据收发的射频部分和频率、滤波的基带部分。可以利用无线模块的低功耗特性对无线模块进行低功耗优化，如载波侦听避免与无线唤醒功能；还可以利用处理器定时的对无线通信模块的状态进行调节，在不需要无线通信的时候，进入低功耗模式，需要工作的时候进行中断唤醒，降低无线通信的功耗。2.3.2 协议栈设计低功耗环境测控网络的软件设计主要涉及调度的选型、移植以及裁剪，协议栈的分层设计等。选择高效可裁剪的调度，制定满足需求的低功耗网络协议，对协议栈的分层进行有针对性的低功耗优化设计，这些措施都可以降低节点功耗，延长节点使用。环境测控网络的通信协议

48、，要求距离短、能量消耗较低、复杂度较低、算法相对简单，采取高效的网络协议，能够降低网络节点的功耗。本方案在协议栈设计中采用的低功耗优化主要有：1. 调度选型调度选型中，选取 C/OS-调度。它是抢占式、可裁剪、实时的多任务内核33，可移植性高，与处理器 MSP430F149 具有良好的兼容性。C/OS-是一个多任务管理，在多任务管理上完善了和多任务管理相关的系统服务，如信号量、邮箱等，其主要特点有：开源、代码结构清晰等34。操作系统负责任务调度，保证各个任务能够协调有序运行。同时，在系统任务调度中充分考虑节能需求，能够降低任务执行功耗，延长节点工作时间。2. 链路层优化链路层主要负责错误检测等

49、功能，当检测到校验错误的数据时，能够停止继续接收，同时通知处理器，错误控制机制可以减少数据帧接收和处理功耗。3. 树形网络环境测控网络一般采用三种组网方式：星型、树形、网状网。本方案在满足应用需求的前提下，采用了树型网络，此组网方式相对简单，能够从组网算法的角度降低节点功耗。在树形网络中，系统节点之间采用多跳的方式进行通信，中继节点充当着路由器的作用，在当其他节点间通信距离过长，无法直接通信的情况下，对报文进行转发35。无线通信过程中，数据需要从源节点到达目的节点，如何选取并建立一条节省功耗的多跳路由。在数据传输过程中，不需中继过多处理，直接进行转发，避免了不必要的能耗开销。4. 工作模式环境

50、测控网络中根据具体应用的不同，存在两种终端节点：控制节点和测量节点。测量节点采用分时的工作模式，控制节点采用无线唤醒的工作模式，降低节点功耗。2.4 本章小结无线传感器网络是一种新的信息收集和处理技术，随着相关技术的发展，这种技术越来越来的被应用在人们的日常生活中，也渐渐的改变并方便了人们的生活。它不仅在传统工业等领域具有很大的利用价值，未来还会在许多领域体现其优越性，如智能家居，物联网等领域。利用无线技术将家用设备甚至汽车进行联网，可以监测和控制。人们对它的尚处于起步阶段，很多技术不够成熟，比如，功耗问题一直是传感器网络的一个瓶颈问题。这些问题都逐渐引起学术界和科技界的重视，如何解决这些问题

51、，降低节点成本，对于这项技术的广泛应用，具有的社会意义。本节首先分析了环境测控网络系统的组成与特点，环境测控领域需求的特殊性对网络节点的功耗提出了更高的要求，进而对节点能耗与能耗优化技术进行了分析，最后从硬件和协议栈两个角度提出了降低能耗的途径。第 3 章 低功耗无线传感器网络节点设计本章将主要介绍环境测控网络节点的设计，首先对节点的应用场景进行需求分析，介绍节点的设备类型与功能，然后提出节点的总体设计方案，进行处理器和无线的选型、任务管理选型分析以及分层协议栈的设计，最后根据不同节点的功能提出分时模式和无线唤醒模式的工作方式。3.1 环境测控网络节点需求分析环境测控网络具有微功耗、短距离的特

52、点，网络中存在终端节点、中继节点、汇聚节点三种节点设备类型，采用三层网络拓扑构架的树形网络，其中终端节点根据具体应用分为测量节点和控制节点。本节主要对应用于环境测控领域的网络节点进行功能与性能需求分析。3.1.1 环境测控节点功能需求分析本文所设计的低功耗网络节点应用场景为环境测控领域中，测量节点以分时模式工作，需要每隔固定时间唤醒，数据并通过无线网络发送到汇聚节点，发送完成之后，进入休眠模式，依次周期循环；控制节点能以无线唤醒的方式接收并执行汇聚节点令。终端节点采用电池供电，本文从软硬件两个角度对环境测控网络进行低功耗设计，从而延长使用时间。环境测控网络节点功能需求分析如下：网络中存在四种节

53、点：汇聚节点、中继节点、测量节点和控制节点。网络中存在 1 个汇聚节点，最多存在 2 级中继，每级中继最多包含 4 个中继节点，中继节点和终端节点总数最多 64 个。3. 汇聚节点的任务是建立环境测控网络，并且转发和的数据。终端节点与上位机4. 中继节点应用于终端节点中继节点汇聚节点网络拓扑中，当终端节点和汇聚节点之间信号微弱或者距离过远，数据不能到达对方时，中继节点承担汇聚节点和终端节点之间的数据中继任务。5. 终端节点分为测量节点和控制节点，都具有的正常无线数据收发模式，测量节点是一个独立的装置，与传感器绑定，将物理量信息传输到汇聚节点，为系统的最底层，具备定时休眠唤醒模式。控制节点可以接

54、受并执行汇聚节点的控制命令，并将执行结果返回到汇聚节点，具有无线唤醒模式，采用半双工的通信方式。6.7.8.9.节点采用低功耗的处理器，具有多种低功耗模式。无线射频可以工作在较低的频段，延长通信距离，降低通信功耗。具有多任务处理能力并且低功耗的调度。低功耗MAC 层协议，完成载波侦听避免等多种机制。10. 高效组网、寻址的路由算法能够保证汇聚节点、中继节点和终端节点通信。其中前五点是低功耗传感器网络组网方式以及设备类型特点的基本要求，第第七点是对节点处理器和无线通信的基本要求，后三点是对低功耗网络节点协议栈的基本要求。3.1.2 环境测控节点性能需求分析低功耗网络节点用于环境测控领域中，汇聚节

55、点、中继节点和终端节点内嵌低功耗网络协议，保证系统中终端节点、中继、汇聚节点之间数据的可靠传输。同时节点还具有设置发射频率、通信速率、串口波特率、分时模式时间间隔、节点地址等相关参数的功能。以测量节点为例，采用以 10 秒为间隔的分时工作模式，1000mAh 电池供电，能够工作至少一年。应用于环境测控领域的节点性能需求如下：1.电气特性电源电压：2.2V3.6V：0-10dbm 接收电流：18mA休眠电流：2uA工作频段：默认 433Mhz，可选 315Mhz 等多种低频率频段误码率：低于 5%（无中继）调制方式：支持 OOK、GFSK 等调制方式2.3.4.网络及协议节点类型：汇聚节点、中继

56、、测量设备、控制设备网络最大配置：1 个汇聚节点、2 级共 8 个中继、56 个终端节点无线协议：低功耗、可靠网络协议节点地址：2 字节定时传输周期：默认 10s，支持自定义接口速率无线传输速率：250kbps 等多种速率可设串口传输速率：2400/9600 等可多种速率可设通信距离在保证误码率的前提下，无中继通信距离二十米通信距离大于二十米时，利用中继延长通信距离3.2环境测控网络总体设计在环境测控网络中，通过分布在环境各个监测位置的测量节点，能够对环境的参数进行，并通过树形网络传送到汇聚节点，当终端节点与汇聚节点由于建筑物遮挡等原因无法直接通信时，中继节点负责终端节点和汇聚节点消息的传递。

57、环境测控网络采用了树型组网结构，包括 1 个汇聚节点，8 个中继和 56 个终端节点，终端节点分为控制节点和测量节点。汇聚节点负责树形网络的建立和管理，处理测量节点发来的数据，并上传数据到上位机，同时也向控制节点发送控制命令。测量节点负责数据并传输到汇聚节点，控制节点要及时响应网关的控制命令，终端节点和汇聚节点之间采用半双工的通信方式进行通信。中继节点负责终端节点的入网、地址分配以及消息传输的中转。系统的工作过程：汇聚节点先建立网络，等待中继和终端节点的加入，测量节点加入网络后，按照预先设置的分时周期，将进行定时休眠唤醒，传感器数据并发送到汇聚节点，控制节点加入网络后，进入无线唤醒模式，等待汇

58、聚节点令。系统拓扑结构如图 3.1 所示。根据任务重要性的不同，设置不同的优先级。在调度的基础上，设计了具有物理层、链路层、网络层和应用层的协议栈结构。节点设计方案如图 3.2 所示。图 3.4 MSP430F149 低功耗模式2. 强大的处理能力MSP430F149 的处理器采用 16 位的 RISC（精简指令集），集成 16 个通用寄存器和常数发生器，寄存器和器均可参加运算，提高了代码的执行效率。3. 丰富的片内资源MSP430F149 单片机集成了丰富硬件资源：WDT、模拟比较器 A、定时器 A0、定时器 A1、定时器 B0、UART、SPI、10 位/12 位 ADC、I/O 端口、R

59、TC（实时时钟）等，MSP430F149 丰富资源为应用拓展提供了很大的方便37 。此外，MSP430F149 支持多种中断源，使用时灵活方便，从低功耗模式唤醒只需 5 微秒。降低功耗以设置MSP430F149 的时钟系统为基础，本设计采用外部 32.768KHz时钟作为时钟源，低速时钟既可以降低功耗，同时保证定时器工作稳定。3.3.2 无线模块低功耗设计本方案选取CC1100 射频，CC1100 是一种低成本 UHF 收发器，非常适合于低功耗无线应用。电路主要设定在 315、433、868 和 915MHz 的ISM 和SRD 频段，也可设置为 300-348MHz、400-464MHz 和

60、 800-928MHz 等频段。收发器集成的调制解调器可配置，支持不同的调制格式，数据传输速率最大性能38。支持 500kbps，通过打开前向误差校正选项，可以CC1100 支持信道评估、链路质量指示、数据缓发数据传输和无线唤醒接口控制26等多种机制，CC1100 的配置参数和传输、接收缓冲区可利用 SPI主要特性如下：。体积小（44mm 封装，20 脚）频率波段：300-348MHz、400-464MHz 和 800-928MHz高灵敏度(1.2kbps 下-110dBm)数据传输率最大支持 500kbps较低的电流消耗(RX 中 15.6mA，2.4kbps，433MHz)输出功率可达+1