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无线传感器网络节点及其设计 吴竹筠 南京信息工程大学 电子科学与技术系，南京 210044摘要： 传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位。大量无线传感器网络节点通过自组织方式构成网络,利用网络节点中各种传感器,能够实时采集和处理节点覆盖区域内的各种参数。介绍了无线传感器网络节点结构、节点组成单元的硬件电路设计和节点的软件结构。该节点以ATmega128L低功耗处理器为核心,结合传感器电路和CC2420射频收发模块,实现对观察区域的实时监测。 关键词： ATmega128L单片机；CC2420芯片；无线传感器网络节点 1、 无线传感器网络的概述 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受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，节点是无线传感器网络的硬件基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元。所有与传感器网络相关的协议、机制和算法等都需要在节点上得到实现。所以传感器网络的节点必须具有一下几个基本能力：计算能力、通信能力、存储能力、信息感知能力。另外，节点还必须满足应用系统的特殊要求。目前比较常用的节点均采用独立的模块来实现上述各项功能。而面向下一代网络、采用SOC技术的低功耗、低成本的节点则代表了未来的发展趋势。2、 传感器网络体系结构2.1传感器网络结构 节点可以组成三种拓朴结构：星型结构、网状结构和簇状结构。节点以自组织形式构成网络、每个节点都可以自主采集数据，数据通过单跳方式或多跳中继方式送到汇聚节点(Sink节点)。汇聚节点将收集的数据发送到远程的控制中心，或通过RS232接口把数据发送给PC机进行数据处理和存储，如图1所示1。 图1 传感器网络结构图2.2无线传感器网络节点2.2.1无线传感器节网络节点的特点 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：（1）微型化。处于无线传感器网络应用领域，一般要求无线传感器网络节点的体积越小越好，因此在设计中要求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。在某些应用领域中要求节点小到不容易被肉眼觉察的程度，以达到隐蔽性要求。 （2）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守的地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，在有的应用背景下甚至不能更换电池，电池寿命就是节点寿命，因此，如此节省电能是应用的首要问题。（3） 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能力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。（4） 通信能力有限。无线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，导致传感器节点的通信失败。因此，网络的自恢复性、抗毁性也是应解决的重点问题。（5）扩展性和灵活性。在一般应用中同一个网络中的无线传感器节点具有完全统一、完整的外部接口，在需要扩展节点功能、添加硬件部件时可以在现有的节点上面直接添加。同时，节点可以按照功能拆分为多个组件，组件之间通过标准统一的接口自由组合。在这样一个节点平台中可以高效灵活的针对不同应用开发硬件系统（6） 稳定性和安全性。在节点设计中必须考虑节点工作的稳定性，当网络工作环境有所变化时，节点能够稳定工作。有时考虑到节点工作环境恶劣条件下，传感器节点的处理器、无线收发模块、电源模块要保证正常稳定工作。能够在周围环境变化比较恶劣的条件下获取真实可信的信息。（7） 低成本。由于传感器数量多，网络中节点密集，只有低成本，才能大量布置，表现出无限传感器网络的各种优点。 2.2.2 无线传感器网络节点的组成 无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。无线传感器网络由在一定区域范围内的多个具有无线通信、传感、数据处理功能的网络节点组成。传感器节点负责采集、处理、压缩数据、中转其他节点的数据包并将数据包发送出去。在不同的应用中，传感器网络节点的结构不尽相同，一般由数据采集单元(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制单元(微处理器、存储器)、无线通信单元(无线收发器)和供电单元(电池)等组成,如图2。 图 2 传感器节点结构图三、无线传感器网络节点硬件设计节点硬件采取模块化结构设计如图3所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。 图3 节点系统结构图3.1处理器模块设计处理器模块和无线通信模块是无线传感器网络节点的核心部分。处理器决定了节点的数据处理能力、路由算法运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度。同时，不同处理器工作频率不同，在不同状态下功率也不相同，因此处理器的选用也在一定程度上影响论了节点的整体能耗的节点的工作寿命。3.1.1处理器模块的分类目前在大多数实际应用中，选用不同处理器时，一般根据处理器工作频率、功率、内部程序存储空间大小、内存大小、接口数量以及数据处理能力是否能够满足实际应用的要求来进行选择。目前问世的节点大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128处理器和德州仪器公司生产的MSP430处理器，少部分节点根据特殊的要求采用了功能强大的ARM处理，以及根据节点面向更加广泛用户的8051内核处理器。一下对不同处理器分别进行介绍。ATMega128L是ATMEL公司生产的AVR系列处理器。该系列处理器为增强RISC载FLASH的芯片。AVR结构单片机的开发目的在于能够采用C语言编程，从而能高效地开发出目标产品。为了实现目标代码大小、性能以及功耗的优化，AVR处理器采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以分别直接访问。ATMega128L芯片具有128KB的系统内可编程闪存（FLASH）。4KB的电可擦可编程只读存储（EERPOM），4KB的内部SRAM,64KB的优化的外部存储空间，8路10bit模数转换器（ADC），6种睡眠模式。使用ATMega128L芯片作为核心处理器的无线传感器网络节点的产品包括CrossBow公司生产的Mica2节点、CSRIO研究室的CSRID节点以及中国科学院计算所研制的EASINet系列节点等。采用MPS430处理器的节点也占有一部分比例。TI公司的MPS430系列单片机是一种超低功能耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的内片外设；带闪存的单片机还可以方便、高效的进行在线仿真和编程。在无线传感器网络节点应用种MSP430F149以及MSP430F1611两种单片机使用最为常见。MSP430采用16bit RISC结构，其丰富的寻址方式、简介的内核指令、高效的处理速度、大量的寄存器以及片内数据存储器使其具有强大的处理能力。MSP430F149的特点在与具有较大的程序存储空间，为60KB的闪存空间，为10KB的RAM存储器，而程序存储器空间稍小，为48KB的闪存，但也能够满足程序的需要。MPS430系列单片机最显著的特点就是其超低功耗，1.8V3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流为0.1mA400mA,RAM在节电模式下耗电为1uA,关断模式下仅为0.2mA。这样的超低功耗，对于无限传感器网络节电来说，能够有效地解决一部分能量消耗问题。使用MPS430系列单片机作为核心处理器的无线节点包括Moteiv公司的TinyNode584节电等。ML67Q500x系列处理器采用了32bit ARM内核。耶鲁大学的XYZ节电，它采用了OKI公司生产的ML67Q500x系列处理器。该系列处理器包含32bit ARM内核，并内置32KB的SRAM以及4KB的引导只读存储器，其中ML67Q5002以及ML67Q5003更是分别内置了256KB和512KB的FLASHROM，这为存储无限传感器网络节点的程序提供了充足的空间产业，同时也能够大大简化节电硬件结构的复杂程度。该系列的处理器时钟频率达60MHz，能够大幅度地提高节点的运转速度。Intel公司生产的一款具有代表性的高性能节电Imote2节电采用PXA270处理器，该处理器是Intel公司于2004年4月发布的XScale处理器家族的升级产品，最高主频达624MHz.该款芯片把X86架构奔腾4系列上的多媒体扩展功能引入了Xscale芯片组的产品线中，用户通过这种无线多媒体扩展技术可以用掌上设备播放高质量的视频和玩三维游戏。同时，PX270还加入了因特尔Speedstep动态电源管理技术，在保证微处理器性能的情况下，极大程度地降低移动设备功能。从处理器的角度看，无线传感器网络节点可分为两类。一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器达很多，多数支持DVS或DFS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。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。在选择处理器是应首先考虑系统对处理能力的需要，然后再考虑功耗的问题2。 3.1.2使用ATMega128L处理器及电路设计 在本设计中，微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。ATmega128L可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，因此该微控制器适合于低能耗的应用场合。其接口示意图如图4所示。Tmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本设计中ATmega128L采用两个外部晶振：7.3728MHz晶振作为ATmega128L的工作时钟；32.768kHz晶振作为实时时钟源。 图 4 ATmega128L微处理器接口示意图3.1.3数据存储电路由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据，暂存自己采集的或需要转发的其他节点采集来的数据。本设计选用512KB串行FLASHAT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图5所示。 图5 数据存储器电路示意图3.2无线通信模块无线收发模块用于传感器节点的数据通信，解决无线通信中的载波频段选择、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，无线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。3.2.1无线通信模块的分类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：IEEE802.11b、IEEE802.15.4（ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(红外）等；还有很多芯片双方通信的协议有用户自己定。目前，在无线通信领域应用较多的无线收发模块有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010，以及RFM公司的TR1000等，NORDIC ATMEL公司也有相关产品。在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32KB，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，Chipcon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Freescale半导体公司开发的ZigBee协议的完整开发套件。Freescale半导体公司提供ZigBee的2.4GHz无线传输芯片有MC13191、MC13192、MC13193；该公司还提供配套的开发套件。普通的射频芯片也是一种理想的选择，可以自定义通信协议，比较有代表性的MAC协议有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC等，路由协议有Cossiping、SPIN协议、LEACH协议、TEEN协议等。从性能、成本、功耗方面考虑，RFM公司的TR1000和Chipcon公司的CC1000是理想的选择。这两种芯片各有所长，TR1000功耗低一些，CC1000灵敏度高一些，传输距离更远。WeC、Renee和Mica节点均采用TR1000芯片；Mica2采用CC1000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CC1020芯片，传输速度可以达到153.6kbit/s，支持OOK、FSK和GFSK调试方式；Micaz节点则采用CC2420 ZigBee芯片。还有一类无线芯片本身集成了处理器，如CC1010是在CC1000基础上集成了8051内核的单片机，使得芯片的集成度进一步提高。WiseNet节点采用的是CC1010芯片。常见的无线芯片还有Nordic公司的nRF905、nRF2401等系列芯片，因为功耗较高，接受灵敏度比较低，开发难度较大，在实际的无线传感器应用中较少。常用的芯片主要参数如下表4： 参数芯片频段/MHz传输速率/ (kbit/s)电流/mA灵敏度/dB功率/dBm调制方式TR10009161153.0-1061.5OKK/FSKCC1000300100076.85.3-110-2010FSKCC1010402904153.619.9-118-2010GFSKCC2420240025019.7-94-3O-QPSKNrf90543391510012.5-10010GFSKNrf24012400100015-85-200GFSK9Xstream90292820140-1101620FHSS3.2.2无线射频CC2420模块设计 在本设计中无线通信模块采用无线射频CC2420模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250kbps。CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的发送FIFO缓存区、1个128字节的接收FIFO缓存区、1个112字节的安全信息存储器。CC2420与处理器的连接比较简便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态；处理器通过SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)与CC2420交换数据、发送命令，使用RESETn引脚复位芯片，使用VREG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，使其产生CC2420所需要1.8V电压，从而使CC2420进入正常工作的状态；CC2420通过单极天线或PCB天线进行通信。其模块示意图如图6所示。CC2420需要16MHz的参考时钟用于数据的收发。参考时钟可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从XOSC16_Q1引脚输入，XOSC16_Q2脚悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引脚之间。晶振起振需对CC2420选通命令寄存器SXOSCON使能。 图 6 无线通信模块示意图 3.3电源管理模块设计 电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或可充电锂离子电池工作，电源管理芯片采用AD公司的ADP3338-3.3，SOT-223封装。电源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，只能使用自己已经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，本模块中心必须解决好能源消耗与网络可靠性的关系3。 常见电池的性能参数如下表： 电池类型铅酸镍镉镍氢锂离子聚合物锂锰银锌重量能量比/(W*h/kg)35415080120160140180330-体积能量比/(W*h/L)801201002002002803205501150循环寿命/次3005008001000100011工作温度/C-206020602060060060-20602060记忆效应无有小很小无无无内阻/m308071918358010080100-毒性有有轻毒轻毒无无有价格低低中高最高高中可充电是是是是是否否3.4充电及状态显示模块在有条件对节点进行充电时，节点使用锂离子电池工作，可利用充电模块为节点进行电能补充，从而确保节点工作的连续性，避免了节点因更换电池造成的工作中断。充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计，具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息，并需外接一个约4.7k!的上拉电阻。充电模块示意图如图 7。LCD显示模块通过串行接口和主MCU连接，用于系统工作状态信息、充电进程、电池电量等状态的显示。节点硬件留有LCD接口，在需要显示时可方便接插LCD显示模块。 图 7 充电模块示意图3.5传感器模块 节点传感器模块与计算和通信子板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。传感器模块可根据实际需要确定合适的传感器，如温度、湿度、振动、光强、气体报警、磁阻、红外等，以满足不同的需要。由于节点多为电池供电，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单，最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。本设计选用的部分传感器为： 温度传感器DS18B20是一种新型数字温度传感器，由公司最新推出TS-18B20数字温度传感器，该产品采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。外部电路非常简单，使用一线总线接口。其测量范围为-55125，在-1085之间的测量精度为0.5，分辨率最大可以设计为12位，测量数据准确可靠。 红外传感器PD632是一种数字热释电传感器，工作波长：7.5m14m，在-2060工作环境下探测距离可达6m15m。 加速度传感器ADXL202是AD公司的两维数字加速度传感器，工作温度：-4085，采用先进的MEMS技术，可以测量震动加速度和静态加速度。3.6外部接口节点外部接口包括JTAGE接口、ISP编程接口、RS232接口、充电接口、传感器接口、SMA天线座接口等。节点使用JTAGE、ISP多种方法下载程序；使用RS232接口直接与PC机串口连接；可根据不同需求经传感器接口挂接不同的传感器模块；在有充电条件的情况下，可通过充电接口迅速为节点补充能量。图 8是RS232 接口示意图, 图9是JTAG/ISP 接口示意图。 图8 RS232接口示意图 图 9 JTAG/ISP 接口示意图 同步串行口允许ATmega128单片机和外设之间进行高速的同步数据传输。ATmega128单片机的SPI的特点如下4：（1） 全双工，3线同步数据传输。（2） 主机或从机操作。（3） LSB首先发送或MSB首先发送。（4） 7种可编程的比特率。（5） 传输结束中断。（6） 写碰撞标志检测。（7） 可以从限制模式唤醒。（8） 作为主机是具有双速模式（CK/2)。 3.7节点设计的要点及应注意的事项 射频部分是本设计的重点与难点，也是系统设计成功的关键。在模块设计过程中遇到的主要问题及解决方法有： CC2420的载波频率是2.4GHz，每5MHz增加一个频道，而晶振的精确度将影响载波的频率，从而影响通信的建立和稳定性。CC2420要求时钟源的精度在40ppm以内。如果使用外部晶振应尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴片晶振。 CC2420射频电路工作在2.400GHz2.4835GHz高频率工作频段，抗干扰设计直接关系到射频性能和整个传感器节点的运转情况。在射频部分布线时，合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。布线时特别要注意以下几点：一是射频电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF屏蔽达到有效抗干扰的目的；二是CC2420芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将CC2420芯片底部和地层相连；三是尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，器件要紧密地分布在CC2420的四周，并使用较小封装。对于无线通信网络来说，天线起着举足轻重的作用。天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片CC2420可以使用金属倒F型PCB引线天线和单极天线两种设计方案。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波，接收信息。PCB天线的形状、尺寸应严格按照数据手册设计。近几年，随着计算机成本的下降和微处理器体积的缩小，无线传感器网络越来越受到人们重视。本设计是笔者在归纳国内外无线传感器网络研究成果的基础上，设计的低功耗、低成本、实用型无线传感器网络节点。节点采用了独立可选的充电模块、LCD状态显示模块和丰富的对外接口，具有较强的实用性，可在多种环境中工作，按多种需要进行配置完成系统功能，并且在成本、功耗、灵活性等方面具有较明显的优势。四、无线传感器网络节点程序设计 # include#includeconst unsigned char buf20=AT128EVKIT; /UART0初始化，设置波特率为115200，8位 /数据位，无奇偶校验位 Void uart0_init(void)UCSR0B=0x00; /设置波特率前，UCSR0B写入0 UCSR0A=0x02; /传输速率倍增UCSR0C=0x06; /8位数据长度UBRR0L=0x0B; /设置波特低位UBRR0H=0x00; /设置波特高位UCSR0B=0x18; /接收发送允许void uart_putchar(char c) While(!(UCSR0A&0x02)UDR0=c;char uart_getchar(void) /从串口接受1个字节 unsigned char status,res; if(!(UCSR0A&0x80)return-1; /没有接受到数据 status=UCSR0A; res=UDR0; if(status&0x1c)return-1; /若出错返回-1 Return res;Char uart_waitchar(void) /等待从串口接受一个有效数据 int c; while(c=uart_getchar( )=-1) return(char)c; void main(void) unsigned char*ptr=buf; CLI(); /关中断 XDIV=0x00; uart0_init( ); /串口初始化 MCUCR=0x00; SEI( ); /重开中断 while(*ptr!=n) /发送开始信息 uart_putchar(*ptr+); if(uart_waitchar( )=c) . else. 五、结束语 由于应用背景不同，目前国内外存在很多硬件平台，采用的无线通信