无线传感器网络的节点技术

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1、无线传感器网络的节点技术无线传感器网络的节点技术摘要：摘要：无线传感器网络的节点平台是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上实现并优化。目前常用的节点硬件平台主要采用分立元器件系统集成技术或采用片上系统集成技术两种方式构成，在不同的应用需求下，针对不同的性能要求，产生了各种不同的设计方案。节点系统朝着体积越来越小，处理性能越来越强，功耗越来越小，成本越来越低的方向发展。本文将介绍传感器网络节点平台的体系结构及设计要素，主要对采用分立元器件和采用系统集成技术构成的两种节点系统进行比较，并对中科

2、院计算所无线传感器网络实验室的研究进展情况进行介绍。关键词：关键词：无线传感器网络；节点；体系结构1无线传感器网络节点的体系结构无线传感器网络节点的体系结构目前节点平台在硬件结构上基本相同，根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求， 主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、存储器单元、射频单元、供电单 元 以及扩展接口单元。节点的硬件体 系结构框架如图 1 所示。传感器单 元负责对所关心的物理量进行测量 并采集数据，提供给处理器单元进 行处理；处理器单元负责数据处理 及控制整个节点的正常工作；存储 单元负责对节点所采集或处理的数 据进行保存；射频单元负责与其他 节点进行无线通信，交换

3、控制信息 和相关数据；供电单元负责为节点 提供运行所需的能量；扩展接口可 以实现节点平台的功能拓展，以适 应不同的应用需求。 图图 1.节点的硬件体系结构框架2节点设计技术要素节点设计技术要素无线传感器网络是集成了监测、计算、通信及控制的网络系统，实际应用中具有节点 数据庞大（上千甚至上万） 、分布密集、应用环境恶劣、能量受限等特点，所以在节点的设 计过程中，主要需要考虑以下几个因素：节点的硬件成本要低廉节点的硬件成本要低廉。无线传感器网络的规模一般比较大，在目标环境系统中，所 布置的节点数量常达数百个到数千个，甚至还要更多。在如此大规模布撒的情况下，单个 节点的成本问题就显得尤为突出。因此，

4、要求在能够满足系统需求的条件下，将节点的硬 件成本降低到足够低。节点要具有足够的数据处理及存储能力。节点要具有足够的数据处理及存储能力。无线传感器网络节点主要担负两项功能：一 是进行环境数据的采集，二是进行数据传输。数据采集过程一般由处理器直接控制完成，但在数据采集之后通常要对所采集的数据进行必要的处理以及存储等工作，要占用一部分 处理器与存储器资源；传感器网络节点所担负的另外一项重要工作是路由功能，即将所接 收到的数据包向下一级网络节点进行转发。路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器 资源。因此，无线节点要具有足以支持同时完成数据采集与数据传输功能的数据处理和存 储能力。节点应具有低功耗设

5、计节点应具有低功耗设计。无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数工作在 野外环境或者人员不易到达的地方，因而无线节点的电池不能够随时更换。这就要求节点 能够在有限的电源供电的情况下，工作尽可能长的时间，以延长网络的寿命。除采用大容 量的电池以及像太阳能这样可以自己供电的方案之外，节点本身要有低功耗设计，以达到 延长节点寿命的目的。根据不同应用场合的需要，无线传感器节点还要具有不同的传感器接口，能与不同的 传感器相结合，进行灵活的配置。3核心单元的典型设计核心单元的典型设计在无线传感器节点各单元中，核心单元为处理器单元以及射频单元。处理器单元决定 了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以

6、及无线传感器网络形式的复杂程度。而且 不同处理器工作频率不同，在不同状态下消耗功率也不相同，因此不同处理器的选用也在 一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。射频单元的选择直接影响了无线通 信使用的频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。3.1 节点中常用的处理器节点中常用的处理器表表 1.无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较处理器性能参数ATMega128LMSP430F1611PXA270AT89C52总线带宽（位）816328时钟频率 （MHz）7.37284Up to 52012工作电压3.33.32.5/3.35工作电流20mA600uA-25mA休眠电流25

7、A4.3 A-100 A内部闪存128KB48KB+256B-8KB内部 RAM14KB10KB-256B价格（元）3510024010根据具体应用的需求，目前节点平台中的处理器有以下几种选择：（1） ATMega128L1芯片是 ATMEL 公司生产的 AVR 系列处理器。该系列处理器为增强 RISC2内 载闪存（Flash）的芯片。 （2）MSP4302 系列单片机是德州仪器（TI）公司的一种混合信 号控制器，其最显著的特点就是具有超低功耗特性。 （3）若需要无线传感器网络节点实现 复杂的数据处理功能以及复杂的路由协议等，就要采用功能更强大的处理器来满足数据计1 Random Access

8、 Memory，随机存储器数2 Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算算量的要求。具有代表性的是英特尔（Intel）公司生产的 imote23节点采用的 PXA2703处 理器。该处理器最高主频达 624MHz，具有极强的计算能力，足以应付包括视频在内的各 种复杂数据处理需求。 （4）此外为了降低节点的成本，一些平台采用了通用的 8051 处理器， 如 AT89C524。这类处理器具有货源充足、价格便宜、使用简单等特点，为价格敏感的应 用提供了解决方案。表 1 是几种典型处理器的性能对比。3.2 节点中常用的射频通信单元节点中常用的射频通信单元在无线

9、传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用 ISM 波段3的普通射频通信以及具有 802.15.4 协议和蓝牙通信协议的射频通信。使用普通 ISM 频段的无线传感器网络 节点主要采用的射频芯片包括 Chipcon 公司生产的 CC10005，Nordic 公司生产的 nrf9036， Semtech 公司生产的 XE12057。还有部分无线传感器网络节点使用了带有 802.15.4/ZigBee 协议的通信芯片，主要包括 Chipcon 公司的 CC24208芯片，RFWave 公司的 RFW1029芯 片组。以上芯片的性能参数见表 2，更加具体的技术指标可以在相应的数据手册中获得。表表 2

10、.无线传感器网络节点中采用的射频单元综合比较射频单元性能参数CC1000nrf903XE1205CC2420RFW102通信频率（MHz）3001000433/868/915433/868/91524002400调制方式FSKGFSKFSKO-QPSKASK编码方式NRZ/曼彻斯特 直接同/异步NRZDSSSDSSS工作电压（V）2.752.73.32.43.92.13.62.43.6最大输出功率( dbm)10101507灵敏度（dbm）-110-104-110-94-77传输速度（kbps）76.876.8153.22501000接收电流（mA）7.418.51419.77协议无无无802

11、.15.4/ ZigBee802.15.4/ ZigBee3.3 其他的处理器及射频单元其他的处理器及射频单元为了满足节点体积微型化的需要，人们相继推出了多款整合了处理器和射频单元的芯 片，其中最具代表性的是 Chipcon AS 公司推出的 CC243010、CC243111芯片，它们提供了 简单方便的 ZigBee/IEEE 802.15.4 低功耗无线传感器网络解决方案，为节点平台的微型化 提供了可能。CC2430 芯片在以往 CC2420 射频芯片的基础上整合了微处理器，存储单元以及 ZigBee 射频(RF)前端。这样在使用极少外围器件的情况下就可以实现节点方案。处理器采 用了 8

12、位的 8051 处理器，具有 128 KB 可编程闪存和 8 KB 的 RAM，还具有多种内部资源， 如模拟数字转换器、定时器、看门狗等，使系统的设计开发更为方便。CC2430 芯片采用 0.18 m CMOS 工艺生产，工作时的电流为 27 mA。在接收和发射模式下，电流分别低于 27 mA 或 25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的时间极短的特性，特别适合那 些要求电池寿命非常长的应用。CC2431 是在 CC2430 以及摩托罗拉基于 IEEE 802.15.4 标准的无线电定位解决方案的3 Industrial Scientific Medical Band，此频段(

13、2.42.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学使用。基础上，集成在单一硅芯片上的系统解决方案，不仅具有 CC2430 的相关特点还具有硬件 定位的功能。目前使用以上处理器的平台有 SENSINODE 公司的 Nano12节点和中科院计 算所的 EZ243 系列节点。3.4 片上系统节点平台片上系统节点平台基于片上系统集成技术节点平台的典型代表有加州大学伯克利分校（U.C. Berkeley） 的 Smart Dust13以及 PicoRadio14、CSEM 公司的 WiseNET15 、中科院计算所的 EZS21016节点等，它们均采用了基于现场可编程门阵列（FPGA4）的 SOC（

14、片上集成系统， System-on-Chip）技术，即在一个 FPGA 芯片上集成了处理器、自定义逻辑单元、甚至射 频单元和传感器单元，用这样的芯片辅以较少的外设来实现传感器节点。与采用嵌入式系 统架构设计的节点相比，基于 SOC 的传感器节点，在硬件修改方面具有更大的灵活性，同 时可以在 FPGA 内嵌入专用的逻辑单元，来实现节点的功能。这比用软件来实现节点功能 的方法更有针对性，能得到更高的效率，也为大幅度降低节点功耗提供了可能。 3.5 无线传感器网络节点综合比较无线传感器网络节点综合比较目前的主要平台有 CrossBow 公司生产的 Mica217节点以及 Micaz18节点，mote

15、iv 公司 的 Telos19节点，CSRIO 实验室的 CSRIO20节点，ShockFish 公司的 TinyNode 58421节点， 耶鲁大学的 XYZ22节点，Inter 公司的 imote23节点以及中科院计算所的 EZ21016系列和 EZ24316系列节点。各平台的具体信息见表 3。表表 3.无线传感器网络节点综合比较参数无线节点处理器射频芯片扩展存储器特点Mica2ATMega128LCC1000512KB低功耗、电源监测、全球唯一地 址Mica zATMega128LCC2420512KB低功耗TelosMSP430F1611CC24201MBUSB 接口、超低功耗、集成温

16、湿 度、光照度传感器CSIROATMega128Lnrf9034KB使用 GFSK 调制、误码率低TinyNode 584MSP430F1611XE1205512KB无线传输速率高，距离远XYZML67Q5002CC2420-处理功能强大Imote2PXA270CC242032MBUSB 接口，处理功能强大，可以 进行音视频处理EZ210ATMega128LCC1000512KB电源监测、低功耗，高稳定性、 全球唯一地址EZ243CC2431CC2431-体积微小、开发方便4中科院计算所传感器网络实验室研究现状中科院计算所传感器网络实验室研究现状16针对无线传感器网络在科研、工业、农业、教育等方面的应用，以及无线传感器网络 应用系统中传感器多样化、应用环境复杂化等特点，实验室研究并开发了适用于多种环境 特点的无线传感器网络 EASI 系列节点系统。该系列节点目前已经支持包括环境监测、煤4 Field Programmable Gate Array矿安全、农