原创 无线传感器网络WSN节点的硬件设计

引言

     目前，无线传感器网络硬件平台可以按节点控制器类型、节点无线通信类型、节点操作特性等多种方式进行分类。由于无线传感器网络主要关注的是检测区域内某一范围而不是某一个特定点的状态信息，因此按照节点操作特性来进行分类的方法较为科学，它覆盖了节点的具体实现形式。按照这种方法可以将无线传感器网络分为4类[1]：特定传感器平台、通用传感器平台、高带宽传感器平台和网关平台。

     特定传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积的微型化设计，但同时也决定了其处理能力和传输能力很有限。比如UCBerkeley的Spec[l]就是在2．5mm×2．5mm的硅片上集成了处理器、RAM、通信接口和传感器的一种节点，它靠一个附带的微型电池供电可以连续工作几年，但在其原型版本中只有单向的通信链路；再如由DAR-PA／MTOMEMSprogram支持UCBerkeley研发的SmartDust也是一种超微型的节点，其设计目标体积是1mm3左右，由于使用光通信并采用主动和被动两种工作模式，其功耗可以进一步降低。

     通用传感器平台对体积要求有所放宽，侧重于节点的可扩展性和测试需求，但同样对节点功耗有较严格的要求，这类平台也是目前在实验研究和产品化中应用最多的。该类型中以UCBerkeley的Mica系列节点为主要代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot、Mica-Z等不同版本。

     高带宽传感器平台的主要特点是处理能力强、存储容量大、接口丰富，其射频带宽比前两种更宽，甚至可以进行音视频信号的传递。该类节点的典型代表是由Intel公司设计的Imote，它采用ARM7TDMI内核，可通过蓝牙接口与PDA等设备连接，由于功能强大，相应的系统功耗也有所增加。

     网关平台是无线传感器网络中不可缺少的部分，通常它的处理能力和接口带宽比其他几类更高。它实现的是无线传感器网络与其他类型网络之间，或者是不同无线传感器网络之间的数据交换，由通用接口使用协议转换功能实现。

     1网络架构与节点设计

     1．1网络架构设计

     系统网络体系结构如图1所示。多个终端节点node与汇集节点sink决定了检测区域的范围，各节点监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点gate；然后通过串行通信接口传送至网关计算机并接入Internet，远程的监控终端可以通过Internet获取监控范围内的监测数据。

     在该网络中，网关接入设备和监控终端均可使用传统的计算机实现，以下主要关注的是终端节点、汇集节点和网关节点。从数据处理强度来看，由于采用的是一种树状网络，所以终端节点数据最少，仅需在特定的检测时获取数据并送出；汇集节点数据量稍大，需要接收多个终端节点的数据并经过初步处理后送至下一汇集节点或网关节点；网关节点的数据量最大，需要接收整个检测区域内的数据并经过解析、融合、协议转换等处理后再送入Internet。从能源需求来看，终端节点能耗最小，汇集节点次之，但这两类节点通常都只能使用自带的有限能源，一旦耗尽即停止工作；而网关节点虽然能耗大，但可以采用外部能源持续供给，在功耗上可以不作苛刻要求。因此，在全网中主要针对终端节点和汇集节点的能耗作严格要求并在多层次进行优化，以最大限度地延长全网的有效工作时间。

     1．2节点设计

     由于无线传感器网络是一种典型的自组织网络，其拓扑结构会随着节点的加入、退出或移动而改变，各节点在网络中的功能也随之动态变化，因此在监测区域中的节点都应具备充当终端节点或汇集节点的能力。终端节点和汇集节点可统称为"普通节点"，其硬件结构如图2所示。

     在普通节点中设计并实现了一个8位RISC结构低功耗MCU作为系统控制核心，后面会进行详细介绍；存储器SST29VE020用作外部程序存储器，容量为256KB；A／D转换器MAX152用于将外部传感器经调理后的电压信号转换为数字信号；射频收发模块使用Chipcon公司支持ZigBee协议的CC2420[2]。网关节点与普通节点从结构上看是类似的，只是工作环境不同且功能需求有所增加，可由普通节点扩展实现。

     28位RISC结构低功耗MCU设计

     在现有的各类无线传感器网络节点硬件设计中都采用的是嵌入式领域广泛应用的一些通用处理器单元，而没有针对无线传感器网络应用开发专用的控制核心，因而节点设计中会受到体积、功耗、接口、资源等方面的限制，甚至在某些设计中还存在资源浪费的情况。这对节点的低功耗、微型化设计非常不利，因此在本设计中自行设计并实现了一种8位RISC结构低功耗MCU，作为节点控制核心。

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