WSN节点的设计
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无线传感器网络WSN硬件设计综述2006年11月20日 9:58引言无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）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。
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1 无线传感器网络典型节点传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。
因为无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽可能延长无线传感器网络的寿命。
由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。
典型的节点包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet 等。
基于无线传感器网络的环境监测系统设计和实现
基于无线传感器网络的环境监测系统设计和实现随着现代社会的高速发展和城市化的不断推进，环境污染逐渐成为人们关注的热点问题。
为了有效地预防和治理环境污染，需要对环境进行实时监控和管理。
基于无线传感器网络的环境监测系统应运而生，成为环境监测领域的重要工具。
本文将介绍基于无线传感器网络的环境监测系统的设计和实现。
一、无线传感器网络简介无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种利用无线通信技术构建的分布式、自组织、多传感器节点协作的网络系统。
WSN由大量的传感器节点、数据处理节点和控制节点组成，通过无线通信技术形成一个协同工作的整体。
每个传感器节点都具有一定的自主处理能力和通信能力，并能够自我组织形成网络。
传感器节点通常由微处理器、传感器、存储器和无线模块等构成。
二、环境监测系统的设计原理基于无线传感器网络的环境监测系统通常需要设计以下几个部分：1. 传感器网络部分传感器网络部分是整个系统的核心，主要由传感器节点和基站组成。
传感器节点负责采集环境参数，如温度、湿度、风速、气压等。
基站则负责接收、处理和传输数据。
2. 数据处理部分数据处理部分主要负责对传感器节点采集到的数据进行处理、分析、存储等操作。
这个部分需要使用一些数据处理技术和算法，如数据压缩、数据挖掘和机器学习等。
3. 数据显示部分数据显示部分主要是将处理后的数据以可视化的形式呈现给用户。
这个部分需要使用一些可视化工具和技术，如Web技术、图表控件、地图等。
三、基于无线传感器网络的环境监测系统的实现方法在实现基于无线传感器网络的环境监测系统时，需要考虑以下几个方面：1. 传感器节点的选择和部署选择合适的传感器节点对于提高系统的性能和精度至关重要。
传感器节点的部署也需要经过仔细的规划和布局。
2. 通信协议的选择需要选择合适的通信协议，如ZigBee、WiFi、LoRa等。
通信协议的选择将直接影响到系统的能耗、通信效率和可靠性。
基于无线传感器网络的空气质量监测系统设计与实现
基于无线传感器网络的空气质量监测系统设计与实现一、引言近年来，环境污染日益严重，其中空气污染成为全球共同关注的问题之一。
随着科技的不断发展，无线传感器网络作为一种新型的环境监测技术逐渐应用于空气质量监测领域。
本文将介绍基于无线传感器网络的空气质量监测系统的设计与实现。
二、无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量微型传感器节点组成的自组织网络，能够进行分布式或协同监测、控制、反馈和处理等任务。
WSN在环境探测、农业生产、医疗监测、交通管理和军事作战等领域有着广泛的应用。
三、空气质量监测系统设计（一）系统结构本系统由传感器节点、中继节点和基站三部分组成，其中传感器节点负责采集空气质量数据，中继节点实现数据传输和数据处理，基站接收和处理传感器节点采集到的数据，并将数据可视化展示。
（二）传感器选择选择合适的传感器对于系统的准确性和稳定性至关重要。
本文选用了可测量多种气体浓度的高精度气体传感器，如光学式粉尘传感器、电化学式气体传感器和红外式CO2传感器等。
（三）无线协议选择本系统选用Zigbee协议作为无线传输协议，它是一种基于IEEE 802.15.4标准的一种低速、低功耗的无线传感器网络协议。
与其他广播型无线协议不同，Zigbee协议具有可靠性高、灵活性强、自组织性强、低功耗和安全性强等优点。
（四）系统部署本系统的传感器节点布置在城市的主要交通干道、工业区和人口密集区，以及城市公园等公共场所，每个节点的位置和安装高度应依据气象学原理和各种气体的传输规律合理安排。
四、空气质量监测系统实现（一）硬件实现本系统采用Atmel公司的ATmega328P单片机作为控制芯片，配合Zigbee无线模块和多种传感器组成传感器节点。
中继节点和基站可配备嵌入式系统。
传感器节点与其它节点间通过无线信道进行通信，并定期向中继节点或基站发送数据。
（二）软件实现本系统采用CCS C语言进行编程和开发，主要包括传感器数据采集、数据传输、数据处理和用户界面展示等方面。
WSN
1.WSN体系包括哪些部分？？各部分的功能是什么？一个典型的传感器网络的体系结构包括：分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户操作界面无线传感器网络中的节点通过飞机播撒或人工部署等方式，密集部署在感知对象的内部或附近。
这些节点通过自组织方式构建无线网络，以协作方式感知、采集和处理网络覆盖区中特定信息，实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。
2。
简述wsn的osi模型即五层协议栈，各层的主要功能。
物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层（1）．物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等。
WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。
物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面，例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。
（2）. 数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。
其中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。
（3）. 网络层：负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网关通信，因此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。
而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议。
（4）. 传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。
（5）. 应用层：由各种面向应用的软件系统构成。
主要研究的是各种传感器网络应用的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等3.简述无线网络介质访问控制方法CSMA\CA的工作原理。
冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量…避免‟1.想发送信息的接点首先“监听”信道，看是否有信号在传输。
如果信道空闲，就立即发送。
低功耗WSN节点及其接口协议的设计
低功耗WSN节点及其接口协议的设计
王耀兴;刘建军
【期刊名称】《计算机科学》
【年(卷),期】2014(041)0z2
【摘要】提出了一种基于MSP430和CC2530的低功耗无线传感器网络节点的设计方法.从硬件和软件两个方面阐述了这种设计方法及其具体实现,通过实验完成了对节点消耗电流的测量和分析.应用结果表明,采用这种方法设计的节点能够在低功耗的条件下稳定可靠地工作.
【总页数】4页(P228-231)
【作者】王耀兴;刘建军
【作者单位】重庆市国土资源和房屋勘测规划院重庆400020;重庆欣荣土地房屋勘测技术研究所重庆400020;中原期货有限公司郑州450000
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
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基于SOPC的高性能WSN节点设计与实现
基于SOPC的高性能WSN节点设计与实现
孟令军;李惠琼;王宏涛
【期刊名称】《水电能源科学》
【年(卷),期】2009(27)3
【摘要】提出利用SOPC技术实现高性能节点系统研究,并与传统的CPU编程方
式相比,采用C语言与VHDL协同设计、SOPC软核负责完成协议部分,利用VHDL 设计的辅助模块实现数据计算及处理。
结果表明,SOPC技术执行多位乘法、移位、比较、多项累加等方面具有速度优势,CPU与这些模块协同工作可完成复杂的数字
信号处理滤波、FFT分析等,可直接移植C程序算法,从而缩短项目开发时间、降低系统开发成本;基于SOPC的高性能节点适合处理语音、振动、冲击动态信号,可作为整个网络或内部簇控制节点。
【总页数】4页(P171-173)
【关键词】SOPC;WSN节点;IIR滤波;低功耗设计;嵌入式
【作者】孟令军;李惠琼;王宏涛
【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中国科学
院电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京100080
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.6;TP39
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基于图论的温室WSN测控系统冗余节点部署算法
摘
要 ：针 对 温 室 无 线 传 感 器 网络 （ Ｎ） 控 系 统 的 漏 斗 效 应 问 题 ， 出负 载 平 衡 的冗 余 节 点 部 署 算 法 （ Ｎ ＷＳ 测 提 Ｒ．
Ｄ 。Ｒ Ｄ Ａ） Ｎ Ａ根据 节点 负 载 情 况 配 置 一定 数 量 的冗 余 节 点 以 平 衡 网络 能耗 ， 节 点 下 一 跳 选 路 概 率 作 为 权 值 引 把 入 图论 ， 出源 节 点数 据经 ｍ 跳 到 达 目的节 点 概 率 的定 理 ， 研 究 网 络 数 据 传 输 提 供 了一 种 有 效 方 法 。理 论 分 提 为
１ 问题描 述
为了解决多跳无线传感器 网络 的漏 斗效应 问题 ，
根据 网络 中各传感器节点 的负载 ， 配置一定数量 的冗
余节点 ， 达到平衡 网络 能耗 、 延长 寿命 的 目的。无 线
传感 器 网络的布局多 种多 样 ， 网络路 由复杂 ， 在多 样
的网络布局下 获取各节 点 的负载是进 行冗余 节点 部
究网络结构提供 了一种有力 的数学工具 。 目前 ， ］ 图 论在获取 网络最短路 Ｊ最 强连通路径及 网络评估 、
来工作 。结束本周期 的工作后 ， 节点立 即进 入睡眠状 态 。图 １ 为温室 ＷＳ Ｎ测控系统网络模型 图。其 中， 黑 色节点 表示活 动节点 ， 灰色节 点为冗余 节点 ， 网格 各 用罗马数字进行编号 ， 箭头表示节点 的路由方向。 定义 １ 节点 选 取边 ｅ ： 作为下一跳路 由的概率 ，
假 设 温室 为 矩 形 区 域 ， 满 足 区域 覆 盖 及 保 证 各 在
相邻 网格连通的情况下 ， 综合传感器节点 的传感 距离 和无线通信距离 ， 把监测 区域分为若 干虚拟 网格 。每
无线传感器网络节点硬件
1 系统结构概述本文设计的WSN硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及一台PC机组成。
根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、A/D 单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。
节点的硬件体系结构框架如图1-1 所示。
图1-1传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；射频天线单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩展接口可以实现节点平台的功能拓展，以适应不同的应用需求。
2 节点核心模块设计：2-1电源模块设计：电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电源电路至关重要。
节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器件常常为模拟器件的噪声源，故为了图2-1-1 提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。
电源可选用电池或干电池，电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片，分别提供3.3V 和1.8V 的数字与模拟电压，电路如图2-1-1 所示。
2-2传感器模块设计：温度传感器设计：本设计采用LM75DM-33R2串行可编程温度传感器，这种传感器在环境温度超出用户变成设置时通知主控制器。
滞后也是可以编程解决。
它采用 2线总线方式，允许读入当前温度，并可配置器件。
它是数字型温度传感器，直接从寄存器读出温度参数，并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。
图2-2-1 是其功能图，因为设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片LM75，所以地址线A0、A1、A2置地，INT/CMPTR悬空，设计的接口电路如图2-2-2 所示。
图2-2-1图2-2-2因为cc2431 本身带有A/D 模块，也可采用温度传感器AD590测量温度，其接口电路如图2-2-3 。
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1 WSN节点的设计 1.1 WSN节点的功能 传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。
1.2 WSN节点的组成结构
传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器
能 量 供 应 模 块
传感器模块处理器模块无线通信模块
(1) 传感单元：由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。 (2) 处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、输入输出接口及嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。 (3) 通信单元：由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。 (4) 能量供应单元：负责为传感器节点提供运行所需的能量。 1.3 设计原则 1、 低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长）。设计中从硬件和软件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。 2、 良好的射频性能：同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距离也较大。 3、 节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。 4、 低成本：节点模块不能太多且不能太复杂。 5、 可扩展性：采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模块，比如传感器模块可以做一个通用口。
1.4 现有无线传感器节点 表 1无线传感器节点的参数比较
节点 处理器 射频芯片 工作频率(mcu) Flash KB RAM KB 工作频段（MHZ） 传输速率（kbps） 调制方式 公司 MHz
Mica Atmega128L TR1000 7.3728 128 4 916 115 OOK/ASK ①
Mica2 Atmega128L CC1000 7.3728 128 4 300-1000 76.8 FSK ①
Mica2dot Atmega128L CC1000 7.3728 128 4 300-1000 76.8 FSK ①
Mica3 Atmega128L CC1020 7.3728 128 4 402-904 153.6 GFSK ①
Micaz Atmega128L CC2420 7.3728 128 4 2400 250 O-QPSK ①
Meshbean Atmega128L CC2420 7.3728 128 4 2400 250 O-QPSK ②
Tmote sky MSP430F1611 CC2420 8 60 2 2400 250 O-QPSK ③
Toles MSP430F149 CC2420 8 48 10 2400 250 O-QPSK ③
Gainst-CC2430 CC2430(内嵌51内核) 32 32-128 8 2400 250 DSSS ④ 注释： ① Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点 ② MeshNetic公司 ③ Moteiv公司 ④ 中科院宁波所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点同。 其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gainst-CC2430节点。 下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、Gainst-CC2430节点做进一步比较：
1.4.1 现有无线传感器节点方案对比 1、Atmega128L+CC2420 (成本：45+39=84元) ATmega128L 是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，工作速度可达8MIPS，工作电压是2．7 V到5．5 V。哈佛结构使程序和数据分开存储访问，程序执行效率更高，内置128K字节的Flash程序存储器，4 K字节EEPROM，4 K字节的内部SRAM。此外，ATmegal28L 还有53个通用I／O 、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时器／计数器、2个USART、1个面向字节的两线接口wTI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、1个SPI同步串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，以及六种可以通过软件选择的省电模式。ATmega128L的最低工作电压是2．7 V，掉电模式的电流消耗小于15 uA，采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消耗约16 uA。 2、 MSP430F149+CC2420（成本：40.5+39=79.5元） 是一片集成度高、功能丰富、功耗极低的16位单片机，工作电压1．8 V到3．6 V，具有个一个硬件乘法器，60 K字节Flash，2 K字节RAM，基础时钟模块包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器；看门狗定时器可用作通用定时器；带有3个捕捉／比较寄存器的16位定时器；带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器；2个具有中断功能的8位并行端口；4个8位并行端口；模拟比较器；1 2位A／D转换器；2通道串行通信接口。MSP430系列单片机最低工作电压为1．8 V，实时时钟待机电流的消耗仅为1.1 u A，运行模式电流300 uA(1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1 uA～400 uA之间，RA M 在节电模式耗电为0.1 uA ，等待模式下仅为0.7 uA。 3、CC2430内嵌80C51内核（成本：65元） CC2430完全满足IEEE802.15.4 和 ZigBee的应用,CC2430特别适合于低功耗系统的应用。 ◆ 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 ◆ 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。 ◆ 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 ◆ 强大的DMA功能。 ◆ 32/64/128KB的片上可编程flash。 ◆ 8KB的SRAM，在四种电源模式下有4KB的存储单元有数据保持能力。 ◆ 很少的外设相连 ◆ 低能耗（RX:27mA TX :25 mA 微控制器工作在32MHz条件下） ◆ 在休眠模式时仅0.9 μA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统。 ◆ 硬件支持CSMA/CA 功能。 ◆ 较宽的电压范围（2.0～3.6 V）。 ◆ 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。 ◆ 具有电池监测和温度感测功能。 ◆ 一个通用的16位定时器，两个8位的定时器。 ◆ 支持硬件调试 ◆ 集成了14 位模数转换的ADC。 ◆ 集成AES 安全协处理器。 ◆ 带有2 个强大的支持几组协议的USART，以及1 个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC 计时器，1个常规的16 位计时器和2 个8 位计时器。 ◆ 强大和灵活的开发工具。
1和2两种方案比较的话：明显看出2方案在功耗方面有明显的优势：Atmega128L的最低供电电压是2.7V,掉电模式的电流消耗小于15 uA，采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消耗约16 uA。相比较而言MSP430的最低工作电压是1.8V，实时时钟待机电流的消耗仅为1.1 u A，运行模式电流300 uA(1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1 uA～400 uA之间，RA M 在节电模式耗电为0.1 uA ，等待模式下仅为0.7 uA。 2和3两种方案比较的话：
调试接口电源模块传感器单元处理器存储单元RF收发单元
DS2041CC2430(CC2431)传感单元ADXL202DS18B205516HX034PMSP430无线传输单元CC2420
供电模块(电池)
X-AccY-AccTempLight
Mic-Amp
PWR-UPTXENDOUTDIN
DS2401 成本方面： CC2430 65元/片，实现MSP430F149+CC2430节点要 79.5元。 外围电路的考虑： CC2430所需的外围电路少。MSP430+CC2420在电源供电的时候考虑到数字供电对模拟部分(高频)的干扰，在一个板子上实现这样很难避免干扰。在外围晶振电路的考虑上，图1中需要3个晶振电路，而图2中只需要2个晶振电路。电源管理模块若采用图2方案，由于不需要对MCU和射频芯片分开来供电，这样就比较简单了。 功耗方面： 为了节省功耗CC2430有四种电压管理模式（PW0-PW3）耗能逐渐减少。外部中断使节点从休眠模式到正常工作模式所消耗的电流不到0.6 uA。CC2430采用SOC技术把MCU和射频单元做到一块芯片工作的能耗（RX:27mA TX :25 mA）。而MSPF149+CC2420，CC2420(RX:19.7mA TX :17.4 mA),再加上MSP430的功耗（到目前为止查阅了大量资料，还没有那篇论文上/手册上有明确提出方案2，在不同的工作模式下的能耗
图1 MSP2430+CC2420节点 图2 CC2430(CC2431)节点