无线传感器网络硬件设计综述
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2. 2 无线传输技术及芯片
器 ,功耗很低 ,但处理能力也非常有限 。Berkerly 大学研 制的 Mica 系列节点大多是采用 At mel 公司的微控制器 。 其 中 , Mica2 节 点 采 用 At mel 增 强 型 微 控 制 器 A Tmega128L 。该微控制器拥有丰富的片上资源 , 包括 4 个定时器 、4 KB SRAM 、128 KB Flash 和 4 KB EEPROM , 拥有 UAR T 、SPI、I2 C、J TA G 接口 ,方便无线芯片和传感 器的接入 ;有 6 种电源节能模式 ,方便低功耗设计 。采用 该处理器 的 另 外 一 个 优 点 是 : 编 译 器 很 多 , 其 中 GCC ( WINAVR) 是完全免费 、开放的软件 。由于以上优点和 Mica2 节点的影响 , 在实际的无线传感器设计中应用很 多 。但是从低功耗角度来讲 ,该芯片并不是最佳选择 。
在传感器网络中 ,传感器节点具有端节点和路由的功 能 : 一方面实现数据的采集和处理 ;另一方面实现数据的 融合和路由 ,对本身采集的数据和收到的其他节点发送的 数据进行综合 ,转发路由到网关节点 。网关节点往往个数 有限 ,而且常常能量能够得到补充 ;网关通常使用多种方 式(如 Internet 、卫星或移动通信网络等) 与外界通信 。而 传感器节点数目非常庞大 ,通常采用不能补充的电池提供 能量 ;传感器节点的能量一旦耗尽 ,那么该节点就不能进 行数据采集和路由的功能 ,直接影响整个传感器网络的健 壮性和生命周期 。因此 ,传感器网络主要研究的是传感器 网络节点 。具体应用不同 ,传感器网络节点的设计也不尽 相同 ,但是其基本结构是一样的 。传感器网络节点一般由 处理 器 单 元 、无 线 传 输单 元 、传 感 器 单 元 和电源模块单元 4 部 分组成 ,如图 1 所示 。 图 1 无线传感器网络节点典型组成
2
为 1. 8～57. 6 M Hz 。
HCS08
4
MSP430 F14x 16 位
2
从处理器的角度看 ,无线传感器网络
TI
MSP430 F16x 16 位
10
32
8
100
60
6. 5
1
60
1. 5
1
48
2
1
节点 基 本 可 以 分 为 两 类 : 一 类 采 用 以 At mel A T91 ARM Thumb
无线传感器网络 硬件平台 低功耗 无线通信
引 言
无线传感器网络 WSN ( Wireless Sensor Net work) 是 一种由传感器节点构成的网络 ,能够实时地监测 、感知和 采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息 (如光强 、温度 、湿度 、噪音和有害气体浓度等物理现象) , 并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去 ,通过无 线网络最终发送给观察者 。无线传感器网络在军事侦察 、 环境监测 、医疗护理 、智能家居 、工业生产控制以及商业等 领域有着广阔的应用前景 。
256
1024
38
160
ARM 处理器为代表的高端处理器 。该类
Intel XScale PXA27X Samsung S3C44B0
256
N/ A
39
8
N/ A
60
574 5
节点的能量消耗比采用微控制器大很多 ,
1 4
2006 年第 11 期
adv @mesnet. com. cn (广告专用)
低
250
IrDA
inf rared
1
低
16000
U WB 3. 1～10. 6 GHz
10
低
RF 300～1000M Hz 10 ×x～100 ×x ① 低
100000 10 ×x
① x 表示数字 1～9 。
是ZigBee 和普通射频芯片 。ZigBee 是一种近距离 、低复杂 度 、低功耗 、低数据速率 、低成本的双向无线通信技术 ,完 整的协议栈只有 32 KB ,可以嵌入各种设备中 ,同时支持 地理定位功能 。以上特点决定 ZigBee 技术非常适合应用 在无线传感器网络中 。目前市场上常见的支持 ZigBee 协 议的芯片 制 造商 有 Chipcon 公司 和 Freescale 半 导体 公 司 ,Figure8 公司还专门开发了 ZigBee 协议栈 。Chipcon 公司的 CC2420 芯片应用较多 , Toles 节点和 XYZ 节点都 是采用该芯片 ;Chipcon 公司提供包含Figure8 公司开发的 ZigBee 协议的完整开发套件 。Freescale 半导体公司提供 ZigBee 的 2. 4 GHz 无线传输芯片有 MC13191 、MC13192 、 MC13193 ;该公司还提供配套的开发套件 。
AA
2004
NiMn Rechargeable 2005
AA
2004
Lit hium
2005
Bat t e r y
2005
Bat t erie s
2004
多数支持 DVS(动态电压调节) 或 DFS ( 动 态频率调节) 等节能策略 ,但是其处理能力 也强很多 ,适合图像等高数据量业务的应 用 ;此外 ,采用高端处理器来作为网关节点 也是不错的选择 。表 2 中最后 3 款处理器 是 ARM 内核的处理器 ,功耗明显比低端 微控制器高很多 。另一类是以采用低端微 控制器为代表的节点 。该类节点的处理能 力较弱 ,但是能量消耗功率也很小 。在选 择处理器时应该首先考虑系统对处理能力 的需要 ,然后再考虑功耗问题 。
可以利用的传输媒体有空气 、红外 、激光 、超声波等 , 常用的无线通信技术有 : 802. 11b 、802 . 15 . 4 ( ZigBee) 、 Bluetoot h 、U WB 、RFID 、IrDA 等 ;还有很多芯片双方通信 的协议由用户自己定义 ,这些芯片一般工作在 ISM 免费 频段 ,如表 3 所列 。利用激光作为传输媒体 ,功耗比用电 磁波低 ,更安全 。缺点是 : 只能直线传输 ; 易受大气状况 影响 ;传输具有方向性 。这些缺点决定这不是一种理想的 传输介质 。红外线的传输也具有方向性 ,距离短 ,不需要 天线 。芯片 83 F88S 是一种符合 IrDA 标准的无线收发芯 片 。U WB 具有发射信号功率谱密度低 、系统复杂度低 、对 信道衰落不敏感 、安全性好 、数据传输率高 、能提供数 cm 的定位精度等优点 ;缺点是传输距离只有 10 m 左右 ,隔墙 穿透力不好 。802 . 11b 因为功耗高而应用不多 ,Bluetoot h 工作在 2. 4 GHz 频段 ,传输速率可达 10 Mbp s ;缺点是传 输距离只有 10 m 左右 ,完整协议栈有 250 KB ,不适合使 用低端处理器 ,多用于家庭个人无线局域网 ,在无线传感 器网络中也有所应用 。在无线传感器网络中应用最多的
Mega103
4
128
5. 5
1
能 ,可以降低功耗 450 mW 左右 ;关掉无线
At mel
Mega128 Mega165/ 325/ 645
4 4
128
8
20
64
2. 5
2
模块功耗可以降低 300 mW 。μAMPS 2 Microchip PIC16F87x
0. 36
8
2
1
采用的处理器是 DSP 。XYZnode 采用 的 处理器是 O KI 公司的 ARM TDMI 内核的
Int el Philip s
8051 8 位 Classic 8051 16 位 80C51 16 位
0. 5 1 2
32 16 60
30 45 15
5 10 3
ML67Q5002 ,该处理器也支持 DFS ( 动态
HC05
0. 5
32
6. 6
90
频率调节) ,工作电流为 15～72 mA ,频率 Motorola HC08
如表 1 所列 ,就低功耗而言 ,MSP430 F1xx MCU 系列 提供业界较低的电流消耗 ,工作电压为 1 . 8 V ,实时时钟 待机电流的消耗仅为 1. 1 μA ,而运行模式电流低至 300 μA (1 M Hz) ,从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需 6μs 。 PIC 系列微控制器也有低功耗的产品问世 。Toles 节点和 ZebraNet 节点就是采用 MSP430 系列的微控制器 , 功耗
TR1000 ( RF)
A Tmega163 ( At mel)
TR1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
TR1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
CC1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
CC1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
表 1 典型无线传感器网络节点
节点名称 WeC Renee Mica Mica2 Mica2Dot Mica3 Micaz Toles X YZno de Platfo r m1 Platfo r m2 Platfo r m3 Zabranet
处理器 (公司)
无线芯片 (技术)
A T90S8535 ( At mel)
2. 1 处理器单元
处理器单元是传感器网络节点的核心 ,和其他单元一 起完成数据的采集 、处理和收发 。EM6603 是 4 位微控制
paper @mesnet. com. cn (投稿专用)
1 3 2006 年第 11 期 Microcontrollers & Embedded Systems
表 3 应用于无线传感器网络的无线通信技术
无线技术 频 率
距离/ m
功 耗 传输速率/ kbp s
器 ,功耗很低 ,但处理能力也非常有限 。Berkerly 大学研 制的 Mica 系列节点大多是采用 At mel 公司的微控制器 。 其 中 , Mica2 节 点 采 用 At mel 增 强 型 微 控 制 器 A Tmega128L 。该微控制器拥有丰富的片上资源 , 包括 4 个定时器 、4 KB SRAM 、128 KB Flash 和 4 KB EEPROM , 拥有 UAR T 、SPI、I2 C、J TA G 接口 ,方便无线芯片和传感 器的接入 ;有 6 种电源节能模式 ,方便低功耗设计 。采用 该处理器 的 另 外 一 个 优 点 是 : 编 译 器 很 多 , 其 中 GCC ( WINAVR) 是完全免费 、开放的软件 。由于以上优点和 Mica2 节点的影响 , 在实际的无线传感器设计中应用很 多 。但是从低功耗角度来讲 ,该芯片并不是最佳选择 。
在传感器网络中 ,传感器节点具有端节点和路由的功 能 : 一方面实现数据的采集和处理 ;另一方面实现数据的 融合和路由 ,对本身采集的数据和收到的其他节点发送的 数据进行综合 ,转发路由到网关节点 。网关节点往往个数 有限 ,而且常常能量能够得到补充 ;网关通常使用多种方 式(如 Internet 、卫星或移动通信网络等) 与外界通信 。而 传感器节点数目非常庞大 ,通常采用不能补充的电池提供 能量 ;传感器节点的能量一旦耗尽 ,那么该节点就不能进 行数据采集和路由的功能 ,直接影响整个传感器网络的健 壮性和生命周期 。因此 ,传感器网络主要研究的是传感器 网络节点 。具体应用不同 ,传感器网络节点的设计也不尽 相同 ,但是其基本结构是一样的 。传感器网络节点一般由 处理 器 单 元 、无 线 传 输单 元 、传 感 器 单 元 和电源模块单元 4 部 分组成 ,如图 1 所示 。 图 1 无线传感器网络节点典型组成
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为 1. 8～57. 6 M Hz 。
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MSP430 F14x 16 位
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从处理器的角度看 ,无线传感器网络
TI
MSP430 F16x 16 位
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节点 基 本 可 以 分 为 两 类 : 一 类 采 用 以 At mel A T91 ARM Thumb
无线传感器网络 硬件平台 低功耗 无线通信
引 言
无线传感器网络 WSN ( Wireless Sensor Net work) 是 一种由传感器节点构成的网络 ,能够实时地监测 、感知和 采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息 (如光强 、温度 、湿度 、噪音和有害气体浓度等物理现象) , 并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去 ,通过无 线网络最终发送给观察者 。无线传感器网络在军事侦察 、 环境监测 、医疗护理 、智能家居 、工业生产控制以及商业等 领域有着广阔的应用前景 。
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ARM 处理器为代表的高端处理器 。该类
Intel XScale PXA27X Samsung S3C44B0
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节点的能量消耗比采用微控制器大很多 ,
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低
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IrDA
inf rared
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低
16000
U WB 3. 1～10. 6 GHz
10
低
RF 300～1000M Hz 10 ×x～100 ×x ① 低
100000 10 ×x
① x 表示数字 1～9 。
是ZigBee 和普通射频芯片 。ZigBee 是一种近距离 、低复杂 度 、低功耗 、低数据速率 、低成本的双向无线通信技术 ,完 整的协议栈只有 32 KB ,可以嵌入各种设备中 ,同时支持 地理定位功能 。以上特点决定 ZigBee 技术非常适合应用 在无线传感器网络中 。目前市场上常见的支持 ZigBee 协 议的芯片 制 造商 有 Chipcon 公司 和 Freescale 半 导体 公 司 ,Figure8 公司还专门开发了 ZigBee 协议栈 。Chipcon 公司的 CC2420 芯片应用较多 , Toles 节点和 XYZ 节点都 是采用该芯片 ;Chipcon 公司提供包含Figure8 公司开发的 ZigBee 协议的完整开发套件 。Freescale 半导体公司提供 ZigBee 的 2. 4 GHz 无线传输芯片有 MC13191 、MC13192 、 MC13193 ;该公司还提供配套的开发套件 。
AA
2004
NiMn Rechargeable 2005
AA
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Lit hium
2005
Bat t e r y
2005
Bat t erie s
2004
多数支持 DVS(动态电压调节) 或 DFS ( 动 态频率调节) 等节能策略 ,但是其处理能力 也强很多 ,适合图像等高数据量业务的应 用 ;此外 ,采用高端处理器来作为网关节点 也是不错的选择 。表 2 中最后 3 款处理器 是 ARM 内核的处理器 ,功耗明显比低端 微控制器高很多 。另一类是以采用低端微 控制器为代表的节点 。该类节点的处理能 力较弱 ,但是能量消耗功率也很小 。在选 择处理器时应该首先考虑系统对处理能力 的需要 ,然后再考虑功耗问题 。
可以利用的传输媒体有空气 、红外 、激光 、超声波等 , 常用的无线通信技术有 : 802. 11b 、802 . 15 . 4 ( ZigBee) 、 Bluetoot h 、U WB 、RFID 、IrDA 等 ;还有很多芯片双方通信 的协议由用户自己定义 ,这些芯片一般工作在 ISM 免费 频段 ,如表 3 所列 。利用激光作为传输媒体 ,功耗比用电 磁波低 ,更安全 。缺点是 : 只能直线传输 ; 易受大气状况 影响 ;传输具有方向性 。这些缺点决定这不是一种理想的 传输介质 。红外线的传输也具有方向性 ,距离短 ,不需要 天线 。芯片 83 F88S 是一种符合 IrDA 标准的无线收发芯 片 。U WB 具有发射信号功率谱密度低 、系统复杂度低 、对 信道衰落不敏感 、安全性好 、数据传输率高 、能提供数 cm 的定位精度等优点 ;缺点是传输距离只有 10 m 左右 ,隔墙 穿透力不好 。802 . 11b 因为功耗高而应用不多 ,Bluetoot h 工作在 2. 4 GHz 频段 ,传输速率可达 10 Mbp s ;缺点是传 输距离只有 10 m 左右 ,完整协议栈有 250 KB ,不适合使 用低端处理器 ,多用于家庭个人无线局域网 ,在无线传感 器网络中也有所应用 。在无线传感器网络中应用最多的
Mega103
4
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1
能 ,可以降低功耗 450 mW 左右 ;关掉无线
At mel
Mega128 Mega165/ 325/ 645
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模块功耗可以降低 300 mW 。μAMPS 2 Microchip PIC16F87x
0. 36
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采用的处理器是 DSP 。XYZnode 采用 的 处理器是 O KI 公司的 ARM TDMI 内核的
Int el Philip s
8051 8 位 Classic 8051 16 位 80C51 16 位
0. 5 1 2
32 16 60
30 45 15
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ML67Q5002 ,该处理器也支持 DFS ( 动态
HC05
0. 5
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频率调节) ,工作电流为 15～72 mA ,频率 Motorola HC08
如表 1 所列 ,就低功耗而言 ,MSP430 F1xx MCU 系列 提供业界较低的电流消耗 ,工作电压为 1 . 8 V ,实时时钟 待机电流的消耗仅为 1. 1 μA ,而运行模式电流低至 300 μA (1 M Hz) ,从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需 6μs 。 PIC 系列微控制器也有低功耗的产品问世 。Toles 节点和 ZebraNet 节点就是采用 MSP430 系列的微控制器 , 功耗
TR1000 ( RF)
A Tmega163 ( At mel)
TR1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
TR1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
CC1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
CC1000 ( RF)
A Tmega128L ( At mel)
表 1 典型无线传感器网络节点
节点名称 WeC Renee Mica Mica2 Mica2Dot Mica3 Micaz Toles X YZno de Platfo r m1 Platfo r m2 Platfo r m3 Zabranet
处理器 (公司)
无线芯片 (技术)
A T90S8535 ( At mel)
2. 1 处理器单元
处理器单元是传感器网络节点的核心 ,和其他单元一 起完成数据的采集 、处理和收发 。EM6603 是 4 位微控制
paper @mesnet. com. cn (投稿专用)
1 3 2006 年第 11 期 Microcontrollers & Embedded Systems
表 3 应用于无线传感器网络的无线通信技术
无线技术 频 率
距离/ m
功 耗 传输速率/ kbp s
