无线传感器网络硬件平台的研究与设计

[b]0 引言 [/b] 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 [1]。 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。 [b]1 无线传感器网络体系结构 [/b] 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[3]。 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[3]。 [b]2 硬件平台的设计与实现 [/b] 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。 [b]2.2 节点的组成与核心模块设计 [/b] 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。 链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测，媒体接入和差错控制等，保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。本层采用了超低功耗的802.15.4的无线数据通信协议，即ZigBee协议。ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，具有3个工作频段，分别为700MHz， 866MHz、2.4GHz，划分为16个信道，数据传输速率为250Kbit/s，用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点。 目前，在无线通信领域应用较多的无线数传模块有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010[4]，以及RFM公司的TR1000等，NORDIC ATMEL公司也有相关产品。 CC1000 工作频带为315MHz，868MHz，915MHz，具有低电压、低功耗、可编程输出功率、高灵敏度、小尺寸、集成了位同步器等特点。其FSK数传可达 72.8Kbit/s。具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议，主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活，图3为CC1000 的模块结构图。 传感器模块是硬件平台中真正与外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分，探头采集外部的温度、光度和磁场等需要传感的信息，将其送入变送系统，后者完成将上述物理量传化为系统可以识别的原始电信号，并且通过积分电路、放大电路的整形处理，最后经过A/D转换成数字信号送处理器模块。 对于不同的探测物理量，传感器模块将采用不同的信号处理方式。因此，对于温度、湿度、光度、声音等不同的信号量，需要设计相应的检测与传感器电路，同时，需要预留相应的扩展接口，以便于扩展传感等更多的物理信号量。 能量供应模块作为整个无线传感器节点的基础模块，是节点正常顺利工作的保证。由于是无线网络，所以无法采用普通的工业电能，只能使用自己已存储的能源或者是自然界的给予。因此，采用什么能源，采取什么样的供电方式显得尤为重要，本模块中必须解决好能源消耗与网络运行可靠性的关系。 2.3 节点的电路设计 对应与上述的模块划分，传感器节点电路由传感电路、通用控制电路、无线射频块和电源4部分组成，如图4所示，对于不同的传感器节点，传感器电路可能不同，而其他部分基本一致。 传感电路由传感器、放大器及调制电路组成，完成被测非电流向电量的转换，并进行初步处理，例如信号的整形、放大等，然后送到通用电路，完成模拟量向数据量的转换并进行适当的处理后送往无线收发模块，无线收发模块将其无线发送出去。通用电路也处理无线收发模块接收来的信号，电源部分给整个传感器节点提供所需要的能量。 [b]3 硬件设计中急待解决的问题 [/b] 3.1 电源能量有限 由于传感网络应用的特殊性，使得其能源不可能来自工业电源，而只能求助于自身传输或自然界的给予，目前使用的大部分都是自身存储有限能源的化学电池，因此，如何高效使用电池，延长电池使用寿命就成为无线传感器网络技术面临的首要挑战，目前主要解决方法是采用休眠机制，即节点在没有事件发生时尽快进入休眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。 3.2 计算和存储能力有限 传感器网络应用的特殊性，要求传感器节点价格低、功耗小、必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小，因此，如何利用有限地计算和存储资源，完成诸多协同任务，也是无线传感器网络技术面临的挑战之一。事实上，随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器，同时，一般传感器节点还会配上一些外部存储器，目前的Flash存储器是一种可以低电压操作、多次写、无限次读的非易失存储介质。 3.3 安全性问题 无线传感器网络规模大、节点多、网络拓扑结构变化快、节点易失效、能源有限以及计算和存储能力有限的特性，使其安全完成面临考验[5]。因此，如何在能耗最小、存储空间占用最少的前提下解决安全性问题，成为无线传感器网络技术面临的又一挑战。 无线传感器网络的任何一个节点的各方面功能都不能与目前Internet的任何一种网络终端相比，因此，如何通过更简单的算法实现尽量坚固的安全外壳，是解决无线传感器网络安全性首先要考虑的问题，同时，有限的计算资源和能量资源又需要系统的各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量。 [b]4 设计构想 [/b] 4.1 无线通信模块的频段选择 传感器无线通信模块的频段选择对于整个传感器节点的数据收发、中转、传输都将产生重要影响，无线通信特有的空间独占性决定了频段选择十分重要。所以，设计无线收发模块时必须考虑这一因素。 收发芯片最好选择工作在ISM频段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM频段。其他频段还有900MHz－928MHz（只适用于美洲大陆）和868MHz －870MHz（欧洲大部分地区）。从这方面考虑，CC1000芯片是不错的选择，它支持多个载波频率，其中包括868MHz和915MHz两个属于 ISM频段的基本调制频率。 4.2 硬件平台的扩展性 传统的传感平台主要传感的物理量局限与声、光、热、湿度、磁力和加速度等，而随着无线传感技术的兴起，以及应用领域的不断扩大，迫切需要传感器能够感知更多的物理量，这就要对传感平台进行扩展，在系统设计中可以加入更多的传感检测电路，例如，对于烟雾浓度、范围、甚至所观测到的视频的传感等。当然，这需要系统首先预留扩展接口，另外，增加的部分必须高度集成化，更不能占用过多的系统能源。 对于上述的传感物理量，能否以及如何综合传感，也是设计的一个方向，多个物理量的综合获取，可以更加准确地描述被传感对象的状态，在军事、抢险救灾以及自动控制等领域必然有广阔应用。 4.3 传感器节点的集成度 随着集成电路工艺的进步，传感器节点的集成度已经达到相当高的水平，但由于传感器网络应用的特殊性，要求传感器节点在某些场合应用时必须小到人类不容易发现的程度，因此，传感器节点的集成度必须进一步提高，设计传感器节点时，首先要考虑处理芯片的大小，因为处理器芯片的大小往往就决定整个节点的大小，所以应该选择体积尽量小的处理器芯片，在进行电路设计时，应在不影响电路效果的前提下，尽量减少线路条数。 [b]5 结束语 [/b] 无线传感器硬件平台的设计对于整个无线传感器网络的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造无线传感器将有更新的应用前景。