无线传感器网络硬件平台的研究与设计

    0 引言

   

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。传感器网络的应用前景十分广阔，在军事、工农业、环境监测，医疗护理、抢险救灾、危险区域远程控制以及智能家居等领域都有潜在的使用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。 

    传感器节点是传感器网络的基本构成单位，由其组成的硬件平台和具体的应用要求密切相关，因此节点的设计将直接影响到整个传感器网络的性能。 
   

    本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构，然后从无线传感器网络硬件平台设计的基本原则出发，着重分析了硬件平台的构成以及硬件平台核心部件设计的一些关键问题，并提出设计构想。 

    1 无线传感器网络体系结构

    无线传感器网络体系结构如图1所示，通常包括传感器节点、汇聚节点（sink node）、外部网络和用户界面[2]。大量传感器节点随机部署在感知区域（Sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集的数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心进行集中处理。

    传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，构成无线传感器网络的基础层支持平台，从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

    汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布处理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。

    2 硬件平台的设计与实现 

    2.1 无线传感器节点的特点

    无线传感器节点作为无线传感器网络的重要组成部分，具有以下特点： 

    a）微型化。应用中的传感器节点要高度集成化，保证对目标系统的特性不会造成影响。 
   

    b）低功耗。无线传感器网络中的节点有严格的电源要求，因为网络往往部署在无人值守的地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，因此，如何节省电能是应用的首要问题。

    c）计算能力和存储容量有限。传感器节点都有嵌入式微处理器和存储器，嵌入式微处理器的处理和存储器的存储容量有限，因此传感器的计算能力十分有限。

    d）通信能力有限。传感器网络的通信带宽窄，覆盖范围小，还经常受到自然环境的影响，导致传感器节点通信失败。因此，网络的自恢复性、抗毁性也是应解决的重点问题。 

    e）传感器数量多，分布范围广。网络中节点密集，数量巨大，此外，传感器网络可以分布在很广的地域。因此，维护十分困难，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。

    2.2 节点的组成与核心模块设计 

    传感器节点完成对周围环境中对象的感知并进行适当的处理后，将测量值无线传送给监控中心。因此，传感器节点的基本功能是：准确地采集环境参数的值，并进行初步的处理，遇险情时进行声光报警;接收监控中心的数据请求命令，将采集的数据发往监控中心等。

    无线传感器节点各模块的组成见图2。处理器模块用来进行节点设备控制、任务调度、能量计算、功能协调等;无线收发模块用来进行节点之间的数据发送、频率选择等，传感器模块用来进行外部传感器信号的接收、转换，能量供应模块为传感器节点提供必要的能量。 

                                                                                                               

    处理器模块是无线传感器节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务，考虑无线传感器网络的实际特点，作为硬件平台的中心模块，除了应具备一般单片机的基本性能外还应该有适当整个网络需要的特点：

    a）尽可能高的集成度，受外形尺寸限制，模块必须能够集成更多的节点的关键部件。 

    b）尽可能低的能源消耗，处理器的功耗一般很大，而在无线网络中，没有持续的能源供给，这就要求节点的设计必须将节能作为一个重要因素来考虑。

    c）尽量快的运行速度，网络对节点的实时性要求很高，要求处理器的实时处理能力要强。

    d）尽可能多的I/O和扩展接口。多功能的传感器产品是发展的趋势，而在前期设计中，不可能把所有的功能包括进来，这就要求系统有很强的可扩展性。 

    e）尽可能低的成本。如果传感器节点成本过高，必然会影响网络化的布局。

    目前处理器模块中使用较多的是ATMEL公司的AVR系列单片机，它采用RISC结构，吸取了PIC及8051单片机的优点，具有丰富的内部资源和外部接口。集成度方面，其内部集成了几乎所有关键部件;指令执行方面，微控制单元采用Harvard结构，因此，指令大多为单周期;能源管理方面，AVR单片机提供了多种电源管理方式，尽管节省节点能源，可扩展性方面，提供了多个I/O口，并且和通用单片机兼容，另外，AVR系列单片机提供的USART（通用同步异步收发器）控制器，SPI（串行外围接口）控制器，与无线收发模块相结合，实现了大吞吐量，高速率的数据收发。

    此外，TI公司的MSP430超低功耗处理器、Motorola公司和Renesas公司的处理器以及作为32位嵌入式处理器的ARM单片机，都在无线传感器网络方面得到了广泛应用。

    无线收发模块用于传感器节点间的数据通信，解决无线通信中载波频段选择、信号调制方式、数据传输速率，编码方式等，并通过天线进行节点间、节点与基站间数据的收发。 

    与一般的网络通信类似，传感器网络的数据通信协议也包括了物理层、链路层、网络层和应用层，与节点硬件平台有关的主要是物理层和链路层。

    物理层主要解决编码调制、通信速率，通信频段的选取等问题，物理层的编码调制关系到频率带宽、通信速率、收发功率等一切问题，采用不同的调制方式应用于不同的节点技术中，节点本身的通信速率受到网络结构的限制，不可能很大，一般都是低功耗、低数据量传输，但是，提高通信速率从而节省通信时间，对于系统最为关键的节能问题有一定帮助，在频段的选择方面，无线传感器网络推荐使用免许可证频段－－ISM（工业、科学和医疗）频段，其通信频率达2.4GHz。