无线传感网硬件平台设计

无线传感网硬件平台设计
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无线传感网络硬件设计 无线传感器网络硬件节点设计
1 无线传感器网络节点设计技术概述 2 中央处理模块 3 高频无线通信模块 4 传感模块 5 能量供应模块 6 节点外围功能模块 7 典型的无线传感器网络节点
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无线传感器网络低功耗硬件设计
1 无线传感器网络能耗问题
2 MEMS技术基本原理 3 MEMS通信设计原理
（3） Tmote Sky
Tmote Sky是MoteIV 公司生产的超低 功耗的、高数据传输率的下一代无线传感 器网络平台，是由Moteiv’s Telos Revision B版本改进而来，使用TI公司的超低功耗 微处理器芯片MSP430，通信模块采用了 Chipcon公司支持IEEE 802.15.4协议的 CC2420芯片，可与其它IEEE 802.15.4的 设备协同工作，250kbit/s的数据收发速率 可以使节点更快完成通信事件的处理，快 速休眠，节省系统能量。
无线传感器网络硬件功能模块设计
一、能量存储单元
希望微电池所能具有的特点如下。 • ① 能量密度尽量高。 • ② 通过简单的配置就可以对传感器的各部件进行直接供电，而尽量减 少电压或其它的转换。 • ③ 在某些条件下具有多次充电使用的能力。
研究现状： 研究人员已开发出充电次数多达1400次，而且功率比 传统器件高100倍的纳米级阳极和阴极。三维纳米结构和 制造方法，将带来扩散距离短但却含有充足的物质足以推 动MEMS器件和微电子电路的电池。
二、设计需求
（1） 体积尽量小 （2） 集成度尽量高 （3） 要有足够的外部通用I/O端口和通信接口 （4） 成本尽量低 （5) 低功耗且支持睡眠模式 （6）运行速度要尽量快
三、时钟系统
1、时钟系统概述
时钟系统是无线传感器网络节点中的重要组成部分，同节点的工作频率 直接相关，并贯穿于传感数据转换、信息交互及程序烧写等多个过程。
7 典型无线传感器网络节点
（1）Smart dust
主要特点： ① 采用MEMS技术，体积微小 ②具有长期工作的潜力。 ③ 采用光通信方式。 ④ 其传输的方向性、无视距阻碍的要求 给节点的部署带来很大挑战。
（2） Mica系列节点
Mica系列节点是加州大学伯克利分校研 制的用于传感器网络研究的演示平台的试验 节点。产品包括WeC、Renee、Mica、Mica2 、Mica2dot和Spec等，其中Mica2和Mica2dot 节点已经由Crossbow公司包装生产。
3 高频无线通信模块
一、工作状态
无线传感器网络的高频无线通信模块包括发送、接收、空闲、睡眠4种工 作状态，其中，空闲状态时需要节点监听无线信道，检查信道中是否有自己 要接收的数据；在睡眠状态时则需要关闭无线通信模块。
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5 0 传感器处理器 发送 接受 空闲 睡眠
功耗
图 无线传感器网络节点各部分能耗
MEMS通信设计理论
一、射频通信技术
RF技术由于自身因素的限制，并不适合于小型化的无线传感 器节点中使用。原因如下。 ① 为了保证某些波段的通信有效性，天线长度会到达几厘米， 这对节点的小型化设计来说是不可接受的。 ② RF发射器效率较低。
在设计必需使用RF技术的节点时，采用MEMS技术能 有效地减小收发器的体积。 天线的大小是RF技术在无线传感器节点的小型化设计 中的最大障碍之一。MEMS技术目前已经被用于不同频段 的平面或三维微型天线中，以提高天线的效率和缩小天线 的尺寸。
二、能量再生单元
微型传感器的功能模块最理想的情 况是可以从环境中连续地获取能量。 但是实际上，从环境中获取能量都不 可避免地受到各种因素的影响，使得 获取的能量不够平稳，甚至断断续续。 因此，在采用能量再生单元的同时还 必须使用能量存储单元来获得稳定的 能量供应。

4 无线传感器网络硬件功能模块设计
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无线传感器网络硬件节点设计技术概述
（1）轻量化 （2）扩展性和灵活性 （3）稳定性和安全性 （4）低成本
一、 硬件设计特点与要求
二、 无线传感器网络硬件系统的主要组成
（1） 普通传感器节点 （2） 汇聚节点 （3） 网关节点
三、 节点基本构架
应用系统层
为终端用户提供了面向应用的系统 控制方式与工作方法。 在设备与应用之间建立连接，提供 软硬件系统调用的方式，同时为上 层应用提供功能服务。 为底层物理部件提供设备驱动功能 与策略。
2、典型无线传感器网络节点时钟系统组成部分 ① CPU核心时钟。CPU核心时钟与操作微处理器内核的子系统（如通用工作寄
存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器）相连。
② I/O时钟。I/O时钟用于主要的I/O模块（如定时器/计数器、SPI和
USART）。 ③ Flash时钟。Flash时钟控制Flash接口操作。这个时钟通常与CPU核心时钟 同步。 ④ 异步定时器时钟。异步定时器时钟允许异步定时器/计数器直接由外部 32 kHz时钟晶体驱动，使得此定时器/计数器即使在睡眠模式下仍然可以为 系统提供一个实时时钟。 ⑤ ADC时钟。ADC具有专门的时钟，这样可以在ADC工作时停止CPU和I/O 时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度
嵌入式系统内核层
设备驱动层
功能部件层
整个节点的硬件基础。包括所有硬 件模块组成与系统底层调用的集合。
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一、功能概述
中央处理模块
（1）接收来自各类型传感器的测量数据，完成数据处理， 交由无线通信模块发送。 （2）读取无线通信模块接收到的数据和控制信息，进行数 据处理并实现对其它模块的控制。 （3）实现无线传感器网络中的各种算法和协议，如MAC协 议、路由协议、定位算法等。
MEMS技术基本原理
MEMS器件采用哪种材料制造？
① 由于集成电路的发展，使得当前所能大 量生产的单晶硅具有纯净、廉价的优势。 ② 已经开发出的大量针对硅材料的加工和 处理技术已经非常成熟。 ③ 基于硅的MEMS设计，提供了集成控制 和信号处理电路的潜能。 ④ 硅的物理和机械特性使它在设计机械传 感器方面有着很大的优势。
无线传感器网络能耗问题概述
无线传感器网络与传统的无线通信网络有很大的 区别。GSM、WiFi、CDMA等无线网络的首要设计目 标是提供尽可能高的服务质量，节点的能量可以进行 补充，因此消耗是次要考虑的问题。而无线传感器网 络的节点不能补充能量，尽可能延长网络系统的生存 周期成为无线传感器网络的首要设计目标。传感器由 部分组成：通信模块、计算模块、传感器模块和能量 供应模块。由于传感器模块通常情况下能耗很低，并 且可以通过在应用的范围内适当延长采样周期，降低 采样精度的方法来降低传感模块的能耗，因此通常只 考虑计算模块和通信模块的能耗问题。
为了尽可能降低节点的能耗，延长其使用 寿命，设计过程中，可以为无线传感器网络节 点选择多种灵活的工作模式，配置各种可选的 电源管理方案。具体包括如下几种模式。 （1）空闲模式 （2）ADC噪声抑制模式 （3）掉电模式 （4）省电模式 （5）等待模式
6 节点外围功能模块
一、串行Flash模块
无线传感器网络节点的处理器模块内部一般都有一定容量的存储 空间。 典型传器网络节点外部存储模块原理图如10-20所示。
二、信号指示和报警部件
无线传感器网络中的信号指示和报警部件主要是指其亮灯电路和 蜂鸣电路。亮灯电路用来指示节点的工作状态，并可实现部分传感信 息的通告（如火灾报警、温度超标报警等）。另外，报警部件也可实 现信息通告和事件报警。
三、外部接口
标准接口 无线传感器网络节点要想得到广泛的应用，就必须拥有完整、通 用的标准接口，以便于节点及网络功能的扩展。这里仍以Mica2节点 为例，该节点拥有一个51针的通用标准I/O接口，主要用于传感面板和 节点的连接与信息交互。电路原理图如图10-22所示，其实物图如图 10-23所示。
四、模数转换模块
节点内部一般都集成了模数转换部件。以Mica2节点为例，其内部集成 了一个10位的逐次逼近型的ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，
能对来自端口的8路单端输入电压进行采样
。
五、典型的中央处理模块
当前的无线传感器网络节点中使用较多的处理器有ATMEL公司的AVR系 列单片机，而TI公司的MSP430超低功耗系列处理器，不仅功能完整、集成 度高，而且能够根据存储容量的多少提供多种引脚兼容，使开发者很容易根 据应用对象平滑升级系统。在新一代无线传感器节点Telos中使用的就是这种 处理器。 作为2000年以来32位嵌入式处理器市场中红极一时的嵌入式ARM处理 器，极有可能成为下一代无线传感器网络节点设计的考虑对象。
二、光通信技术
光通信优点：
① 可用做通信的光源可以很小， 如激光二极管等。 ② 发送效率比RF技术要高。 ③ 可以采用空分复用的方式进 行通信，光的指向性可以使传 感器在多个方向进行多路传输， 这比RF技术的复用方式更简单， 且效率更高。
光通信缺点： 依赖于光线的直线传 播，通信距离短，且 对定向性要求很高。 但是可以利用MEMS 技术和有效的算法来 解决这些问题。
二、无线传感器网络节点通信芯片的选择
随着集成电路技术的飞速发展，无线通信芯片的体积越 来越小，价格也越来越低，这也更符合了无线传感器网络 微型化和低成本的要求。所以，在无线通信芯片的选择中 就要更加关注于芯片的性能，包括载波频段、工作电压、 传输距离等。
4 传感模块
无线传感器网络节点传感模块
5 能量供应模块