（控制科学与工程专业论文）无线传感器网络节点超低功耗的系统级实现方法研究.pdf

摘要 有限的电源能量是影响无线传感器网络( w s n ) 生命周期的关键因 素，减小功耗即意味着延长系统寿命。在满足系统性能要求的基础上， 从系统层面来进一步减小低功耗节点功耗、实现超低功耗，从而有效延 长w s n 生命周期是节点技术研究的主要内容。目前，环境能量采集技术 的研究和发展使得节点有了从环境补给电能的可能。因此，朝着以采集 环境能量补给节点电能实现自供电的目标，研究w s n 节点的超低功耗技 术，对于w s n 技术的研究具有重要意义。 本文首先分析了典型w s n 节点的特点以及低功耗设计的一般原则 和实现方法，根据现有低功耗技术和环境能量采集技术以及对低功耗的 一般观点，提出了一种具有实用性的超低功耗评判依据，以此作为检验 和衡量w s n 节点能耗的依据。为实现w s n 节点的超低功耗，提出了适 合应用设计的系统级超低功耗策略。这类系统级策略首先是对节点硬件 各单元模块进行超低功耗设计，其次在软件方面通过数据处理算法优化 和采用适用于节点平台的数据压缩方法，进一步降低节点软件系统的功 耗，再结合软硬件系统协同设计实现动态电源管理，达到节点的超低功 耗目标。参考典型节点m i c a 2 的功耗计算方式对本文所提方案作了功耗 计算，表明了实现w s n 节点超低功耗方法的可行性和有效。为了降低节 点通信功耗并提高节点的数据存储能力，以简单有效为原则，针对有损 数据压缩和无损数据压缩分别提出了一种面向w s n 节点平台的简化应 用方法。 实验数据表明本文针对节点设计提出的系统级超低功耗方法及应 用方案有效可行，这种系统级的应用方法是对现有应用技术的深化应用 和协调。本文所提出的简化压缩算法也具有一定的普遍性和实用性。 关键词无线传感器网络节点，超低功耗判据，超低功耗策略，数据压 缩算法 a bs t r a c t l i m i t e de l e c t r i c a le n e r g yi st h ek e yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) n o d e sl i f e ，a n dr e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o nm e a n st oe x t e n dt h el i f eo ft h e s y s t e m a f t e rm e e t i n gt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h ef o c u so fn o d e s t e c h n o l o g yi st or e d u c ef u r t h e rt h ep o w e rc o n s u m p t i o no fl o w p o w e rn o d e s a n dt oa c h i e v eu l t r a - l o wp o w e ri ns y s t e m 1 e v e l ，s oa st oe x t e n dt h el i f ec y c l e o fw s nn o d e s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a l e n e r g yh a r v e s t i n gt e c h n o l o g ym a k e si tp o s s i b l et h a tn o d e sw i l lr e p l e n i s h e n e r g yf r o mt h ee n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t o w a r dt h eg o a lo fh a r v e s t i n g e n v i r o n m e n te n e r g yt o s u p p l yn o d e sa n da c h i e v i n gs e l f - p o w e r e d ，t h e r e s e a r c ho nu l t r a - l o wp o w e r t e c h n o l o g yo fw s n n o d ei sn e c e s s a r y t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et y p i c a lw s n n o d e sa n d t h eg e n e r a lp r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o nm e t h o d so f l o w - p o w e rd e s i g n b a s e d o nt h ee x i s t i n gl o w p o w e rt e c h n o l o g ya n dt h ep u b l i co p i n i o no fl o wp o w e r ， t h et h e s i sp r e s e n t sa p r a c t i c a lu l t r a 1 0 wp o w e rc r i t e r i o n ，w h i c hc a nb e u s e dt o e v a l u a t ea n dm e a s u r et h ee n e r g yd i s s i p a t i o no faw s nn o d e t or e a l i z e u l t r a - l o wp o w e ro fw s n n o d e s ，i tp r e s e n t st h es t r a t e g i e so fu l t r a - l o wp o w e r i ns y s t e m l e v e lt h a ts u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o na n dd e s i g n a c c o r d i n gt ot h e s y s t e m l e v e ls t r a t e g i e s ，t h eu l t r a - l o wp o w e rd e s i g no fh a r d w a r em o d u l e so fa n o d ei sn e e d e df i r s t l y , t h e nt of u r t h e rr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o no fs o f t w a r e s y s t e mb yo p t i m i z i n gd a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h ma n du s i n gd a t ac o m p r e s s i o n m e t h o d ss u i t a b l ef o rn o d ep l a t f o r mf o l l o w s ，a n dt h e nd y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n ti sa c h i e v e db yc o - d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m s r e f e r e n c i n gt h em i c a 2 sp o w e re s t i m a t i o n ，t h ep o w e rc a l c u l a t i o no ft h en e w n o d ed e s i g nv e r i f i e s t h a tt h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h eu l t r a - l o w p o w e rm e t h o d s t of u r t h e rr e d u c ec o m m u n i c a t i o np o w e ra n di m p r o v et h e d a t as t o r a g ec a p a c i t yo fn o d ei nt h ew a yo f s i m p l ea n de f f e c t i v e ，t h et h e s i s p r e s e n t sr e s p e c t i v e l yt h es i m p l i f i e d a p p l i c a t i o n s o l u t i o n sf o r l o s s y c o m p r e s s i o na n dl o s s l e s sc o m p r e s s i o nf a c e do nw s nn o d ep l a t f o r i l l 。 t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h eu l t r a 1 0 w p o w e r t e c h n o l o g yf o rw s n n o d ea p p l i c a t i o np r o g r a mi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e t h e i i s y s t e m 1 e v e lm e t h o d sa r eb a s e do nt h ec o o p e r a t i o n a n de x t e n d i n go ft h e e x i s t i n gl o wp o w e rt e c h n o l o g i e s t h es i m p l i f i e dc o m p r e s s i o na l g o r i t h m so f t h et h e s i sa l s oh a v ec e r t a i nu n i v e r s a l i t ya n dp r a c t i c a l i t y k e yw o r d sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ，u l t r a - l o wp o w e rc r i t e r i o n ， u l t r a - l o wp o w e rs t r a t e g y ，d a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 醐：吁年蔓月哆日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签遗牡期：盟年月型日 硕士学位论文第一一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由随机分布的具有传感器、 数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的分布式无线网络，借 助于节点中内置的形式多样的传感器，协作地实时监测、感知和采集周边环境中的 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 处理后通过无线网络发送出去1 2 j 。 w s n 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，其发展和应用给人类牛活和牛产的各个领域带来深远的 影响。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将w s n 列为第一 项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，w s n 也列入其中。可以 预计，w s n 的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将给人类社会带来极大的变革。 w s n 是集传感器技术、微机电技术、现代网络与无线通信技术于一体的综合智 能信息处理平台，具有广阔的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一， 也是改变未来生活的重要技术之一。因此，w s n 的发展也得到极大的关注和研究。 i e e e 也在努力推进w s n 的应用和发展，波士顿大学( b o s t o nu n i v e r s i t y ) 还于最近 创办了传感器网络协会( s e n s o rn e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期待能促进传感器联网技术 的开发。除了波士顿大学，该协会还包括b p 、h o n e y w e l l 、i n e t c os y s t e m s 、i n v e n s y s 、 l 一3c o m m u n i c a t i o n s 、m i l l e n n i a ln e t 、r a d i a n s e 、s e n s i c a s ts y s t e m s 及t e x t r o ns y s t e m s 。 在美国军方、美国国家自然科学基金和一些跨国企业的支持下，美国在9 0 年代 初便开展了无线传感器网络的研究和开发。美国科学基金会州s f ) 制定了w s n 研究 计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部在c 4 i s r 计划的基础上提出了c 4 k i s r ， 把w s n 作为一个重要研究领域。其中，具有代表性的项目包括：1 9 9 3 1 9 9 9 年间由 美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 资助、加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 承担的w i n s 目；1 9 9 9 - - 2 0 0 1 年间由d a p r a 资助，u cb e r k e l e y 承担的s m a r td u s t 项目；1 9 9 8 - - 2 0 0 2 年d a r p a 资助、加州大学伯克利分校等2 5 个机构联合承担的s e n s l t 计划；1 9 9 9 2 0 0 4 年问海军研究办公室的s e a w e b 计划等。其他许多研究机构和公司也都展开了 w s n 研究，c r o s s b o w 、d u s tn e t w o r k s ( t m ) 、e m b e r 、c h i p s 、i n t e r 、f r e e s c a l e 等公司 推出了商用w s n 芯片、节点设备和解决方案。目前为止，己开发的无线传感器网络 硕士学位论文 第，章绪论 节点有：b e r k e l e ym o t e s 、b e r k e l e yp i c o n o d e s 、s e n s o r i aw i n s 、m i tu a m p s 、s m a r tm e s h d u s tm o t e 、i n t e li m o t e 以及i n t e lx s e a l en o d e s 等。不同的节点设计针对不同的应用场 合，硬件大小、功耗、设计代价也不尽相同。 欧盟在第6 个框架计划中将“信息和会技术”作为有限发展领域之一，其中多处涉 及到对w s n 的研究。p h i l i p s 、s i e m e n s 、e r i c s s o n 、z m d 、f r a n c et e l e c o m 、c h i p c o n 等公司都在对w s n 进行研发，开发出了相关产品，并在相关应用领域为用户提供 w s n 的解决方案。 日本总务省在2 0 0 4 年3 月成立了“泛在传感器网络”调查研究会，主要的目的是对 其研究开发课题、社会的认知性、推进政策等进行探讨。n e c 、o k i 等公司己经推 出了相关产品，并进行了一些应用试验。 韩国信息通信部制定了信息技术“8 3 9 ”战略，其中“3 ”是指i t 产业的三大基 础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。为实现“8 3 9 ”战 略，韩国目前采取了一系列具体措施。 我国现代意义的无限传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步肩动，1 9 9 9 年首次正式出现在中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化 领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之中。2 0 0 1 年中科院依托上海微 系统所成立微系统研究与发展中心，初步建立传感器网络系统研究平台，在无线智 能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得了 很大的进展，2 0 0 4 年9 月相关产品在北京进行了大规模的外场演示，部分成果已在实 际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。 1 2 研究目的和意义 w s n 一般由大量体积小、成本低、具有无线通信、采集、数据处理能力的传感 器节点组成【3 】1 4 j 【副。w s n 节点一般由传感器模块、m c u 模块、通信模块、电源模块 等功能模块组成。w s n 与传统网络相比一个重要的优势就是摆脱了连线限制，1 1 = l 是 也带来了新的问题。w s n 节点一般由电池驱动，能量非常有限，且对于大规模与物 理环境紧密耦合的系统而言，更换电池补充能源的方式是不现实的，而节点又需要 较长的系统生命周期，这使得能量消耗不仅成为确定系统生命周期的最重要因素， 也极大地影响着节点系统芯片的尺寸、成本和性能。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。因此，从 2 硕十学位论文第章绪论 每一个细节处考虑降低功耗，实现w s n 节点的超低功耗，既是提高节点性能的重要 指标，也是延长节点系统生命周期的重要于段。 w s n 节点研究取得了大量成剁6 j 【7 】f 8 】【9 】f l o 】，但是针对节点本身的低功耗技术没有 得到完全解决，而超低功耗技术更是涉及甚少。丰要是因为从总体观念上对这个问 题的论述，以及从软件指令压缩到存储过程优化，从分时分区供电技术到动态电源 管理的实现缺乏连贯地彻底地努力。因此，全面系统地阐述w s n 节点的超低功耗技 术以及实现方案很有必要。 电源能量是w s n 寿命的关键，减低功耗即意味着延长系统寿命。在正常活动模 式下降低系统功耗，实现超低功耗设计，将使w s n 节点生命周期得到延长，系统性 能显著提高。 基于以上待解决的问题，结合w s n 特点，本课题将面向系统层次，分别从硬件 系统以及协同硬件系统的软件设计降低节点的功耗，提出普遍实用的w s n 节点的超 低功耗技术的具体实现方案，通过实验结果验证方案的可行性并以此作为检验和衡 量w s n 节点性能的依据。研究结果将对典型的w s n 节点实现超低功耗具有一定的参 考意义，并且这种普遍适用性研究将有利于推广应用。 1 3 国内外研究现状 目前w s n 节点的低功耗技术研究成效主要集中在硬件领域【l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】。在硬件 领域，低功耗设计技术研究的不同侧重点对电路功耗的影响不同。在芯片级低功耗 研究中，涉及到工艺、版图、电路、逻辑、结构等不同层次，均需要对现有技术的 革新，同时受使用规模的限制，并不能被普遍推广应用。在系统级低功耗的研究中， 涉及硬件系统的低功耗设计以及软件系统算法优化等。系统级的低功耗研究是在现 有技术基础上，通过对元器件的合理选型、动态电源管理( d p m ) 、动态频率调整 ( d v s ) 等于段以及对性能和功耗折衷，从整体上降低的平均功耗出发，达到低功 耗的目的。 在系统层次降低功耗的方法还有：1 ) 降低微控制器的时钟工作频率；2 ) 减小 工作电压；3 ) 减少储能器件的能耗，主要是减少电路的电容的能耗；4 ) 降低c m o s 器件的转换频率，从而降低其动态功耗；5 ) 降低系统时钟信号的占空比。 典型的节点系统，其结构组成主要为微控制器( m c u ) 模块、传感器模块、通 信模块和电源管理模块。m c u 模块中，被认为是超低功耗的典型代表的m s p 4 3 0 系列微控制器【1 5 】【1 6 】【1 7 1 【1 8 1 能提供业界最低的功耗。m s p 4 3 0 系列微控制器能提供5 种 3 硕十学位论文第一章绪论 低功耗模式，其中l p m 3 的工作电流只有0 8 u a 。同时m s p 4 3 0 高度集成的片上系 统，有助于构造最小m c u 模块单元，以确保模块的功耗降至尽可能低的程度。 在w s n 节点中，常用的传感器工作时都需要供电，而且工作电流一般因类型和 变换原理不同而差异很大。对于某些电阻式传感器，其工作电流都相对较大，有的 明显超过m c u 的工作电流。因而有可能导致节点功耗显著上升。因此，如何将功耗 降到最可能小的范围是一个研究课题。其次，低占空比工作是满足超低功耗要求的 有效途径。由于m c u 拥有足够强大的功能来捕获、处理并发送节点所采集的信息， 如果节点被触发，则系统会苏醒( m s p 4 3 0 系列微控制器从休眠至正常工作的唤醒 过程仅需6 u s 1 9 】) ，然后捕获、处理并发送信号给处理系统，由系统来确定是什么触 发了这一事件。低占空比工作能使数据处理系统以功率节省模式关闭时钟，然后再 随时响应。 w s n 节点的所有组成部分并非时刻在工作，因此可采用分时分区供电技术。原 理是利用i o 或者管理芯片控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关 闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。其次，动态电源管理( d p m ) 也是降低系统 功耗的有效手段。动态电源管理就是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动 态控制，从而达到节省功率的目的。这种动态控制是与系统的运行状态密切相关的， 需要软件协同硬件来实现。丰要具体措施有：1 ) 选取不同工作模式；2 ) 关闭不需 要的外设。这两种方式只是动态电源管理的最为简单的实现，前者是通过改变系统 的工作模式，后者是通过控制外设的开关来达到降低功耗的目的。但现在的研究， 已经可以同时动态改变控制器的电压和频率来进一步节省功率，如i b m 和m o n t a v i s t a 合作进行的嵌入式系统的动态电源管理的研究。这是一个更为复杂、也更为系 统的工程，它涉及了从硬件到操作系统以及应用层的有关内容。 从文献【2 0 】所述节点各部分能耗的情况可知，节点的大部分能耗在无线通信模 块。目前在无线通信模块降低功耗的措施主要有：1 ) 减少通信流量，具体措施是： 本地计算和数据融合，减少数据发送冲突，增加错误检测和校正机制，减 少控制包的开销和包头长度；2 ) 增加关断时间( 由文献f 2 0 j 可知：关断模式功耗最 小) ；3 ) 使用短距离多跳通信方式。 尽管无线通信模块瞬时功耗在节点系统功耗中比重很大，就w s n 节点而言，通 常需要传输的数据量有限，因此用于通信的平均功耗可限制到一定的低水平( 也只 能限制到一定的低水平) 。所以在节点的功耗参数指标中，整体平均功耗往往比瞬 时功耗更具有说服力和可信度。节点系统的整体平均功耗丰要还是集中在m c u 模 块、传感器模块以及电源管理模块。因此，对w s n 节点的超低功耗技术的研究，更 4 硕士学位论文 第章绪论 多的是基于w s n 节点特点，对节点整体应用系统进行的超低功耗研究。 同时软件低功耗技术也得到研究，文献【2 l 】得到如此结论：经过软件级别优化的 低功耗设计，功耗可以节省10 0 0 , - , 3 5 。在一个程序中，每一条指令都将激活m c u 模块中的某些硬件，因此，正确选择指令可降低数据处理的功耗。困扰软件的低功 耗设计技术的丰要问题有低功耗编程优化、存储器成本最小化和面向硬件系统的协 同设计。通过建立特定处理器架构下指令集的功耗信息，利用“减少跳转的指令重 排序 等方法，可以进行有效的软件低功率优化。同时将其应用程序的目标代码进行 压缩后再装载到节点系统中去，这样，可以减小程序代码所占用的存储器空间，同 时减小存储器的访问带宽，降低系统功耗。 在这诸多专门为无线传感器网络开发的节点中，缺少从整体对节点的超低功耗 技术进行阐述以及对应用方案的研究。 1 4 研究内容及组织结构 根据w s n 特性以及目前典型w s n 节点的优缺点，以现有的技术条件以及实际应 用，针对功耗标准提出一种评判依据，并研究可适用于这种评判依据的技术。本课 题的重点在于通过研究分析，提出一种评判依据，并分别从硬件平台构建以及软件 数据处理两个方面研究可以达到这种评判标准的技术。 本文的研究工作主要包括以下方面： ( 1 ) 典型节点硬件平台分析：介绍典型w s n 节点各个模块的内部重要组成、 应用技术以及不同硬件平台方案的优劣点； ( 2 ) 针对功耗标准提出了超低功耗的一种评判依据：分别从现有技术、实际应 用等几个方面确定超低功耗技术的期望阀值，并将以此阀值作为w s n 节点超低功耗 的评判依据；然后在现有技术基础上，从实用性出发，通过对系统层次和算法层次 进行协调和改进，分别提出了硬件系统的超低功耗策略和软件设计的超低功耗策略； ( 3 ) 给出了一个应用超低功耗策略的w s n 节点设计方案：方案包括系统的传 感器模块、m c u 模块、电源模块、时钟模块、数据存储模块以及无线通信模块，并 对各模块的原理及关键技术做了介绍。参考m i c a 2 节点的功耗计算方式，对本方案 节点的功耗进行计算。最后给出了一个应用实例，验证本文提出的w s n 节点超低功 耗的系统级实现方法研究的有效可行； ( 4 ) 根据w s n 节点的不同任务和性能要求，在数据处理和存储过程中需要不同 的数据压缩方式。针对节点存储空间有限和资源受限的特点，首先提出了一种基于 硕士学位论文第一章绪论 傅立叶原理的、简化的周期信号有损压缩方法；然后根据w s n 节点的特点，介绍了 采用l z s s 算法进行无损数据压缩的应用效果。实验结果说明，采用合适的应用策略， 可以在保持精度的基础上大大降低算法的运算量，并有效减少数据的发送量。这两 种算法适用于w s n 节点，能达到减少数据存储量和传输量的目的，有利于降低节点 功耗。 本文后续各章主要内容安排如下： 第二章对典型w s n 节点进行研究与分析，重点分析典型节点的硬件平台构建以 及节点的功耗。 第三章提出结合现有技术以及实际应用，给出一个期望的功耗阈值，并将此阈 值作为超低功耗的一个评判依据。同时，为了实现这种超低功耗，文章分别从硬件 以及软件方面给出相应的超低功耗应用策略。 第四章在第二章研究工作的基础上，结合第三章的应用策略，给出适用于超低 功耗技术的具体的设计方案，设计出适合系统的硬件平台，并分模块具体说明各硬 件部分的实现。为了体现功耗计算的通用性，参考m i c a 2 的功耗计算方式，对本设 计方案进行功耗估算。根据硬件系统，给出协同硬件系统的软件系统低功耗设计， 主要方法有数据处理优化、存储器功耗最小化和面向硬件系统的协同设计等，同时 给出一个具体的实际应用。 第五章从数据压缩的意义出发，阐述面向w s n 节点的数据压缩算法的局限性。 针对w s n 节点的资源受限的特点，研究了数据发送的特征，分别从有损和无损压缩 的角度，给出适用w s n 节点的数据压缩的简化应用。 最后对所做的设计及研究进行总结和展望。 6 硕士学位论文 第_ 章典型w s n 节点系统的构成与分析 第二章典型w s n 节点系统的构成与分析 2 iw s n 节点结构特点 2 1 1w s n 结构概述 w s n 节点是w s n 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w s n 的性能。w s n 通常包括w s n 节 点、汇聚节点( s i n kn o d e ) 、处理巾心、外部网络。大量w s n 节点随机部署在感知 区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或者附近，能够通过自组织方式构成网络，w s n 节点将采 集到的数据沿着其他w s n 节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集到的数据可能 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。 无线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。w s n 节点具有终端和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处 理；另一方面实现手机的融合和路由，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，而且能量常常能够 得到补充；网关通常使用多种方式( 如互联网、卫星或移动通信网络等) 与外界通 信。而w s n 节点数目通常非常庞大，通常采用不能补给能量的电池，w s n 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，直接影响到整个 w s n 的健全性和生命周期。因此，w s n 主要研究的w s n 节点。具体应用不同， w s n 节点的设计也不尽相同，但是其基本机构是相同的。 w s n 节点丰要有4 大组成模块：m c u 模块、传感器模块、通信模块、电源模 块。如下图2 1 所示： i 露hm c u $ 鞅h 袭墨 nf i 匹刊电源模块e 型 图2 1w s n 节点主要4 大组成模决 2 1 2w s n 节点的特点 w s n 节点作为w s n 的基本构成单元，具有以下特点： 7 硕士学位论文第二章典型w s n 节点系统的构成与分析 ( 1 ) 微型化。处于w s n 应用领域，一般要求w s n 节点的体积越小越好，因 此在设计中要求w s n 节点高度集成化，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4 , n 不容易被肉眼察觉的程度，以达到隐蔽性要求。在节 点设计中，硬件的各个功能模块尽可能设计的精简节能。另外，从软件方面考虑， 构成网络的所有节点应该尽可能精简，减少冗余。 ( 2 ) 低功耗。w s n 节点有严格的电源要求，因为网络往往部署在无人职守的 地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，甚至不能更换电池。往往电池的寿 命就是节点寿命，因此，如何节省电能是应用的首要问题。 ( 3 ) 计算能力和存储能力有限。w s n 节点都有嵌入式微控制器和存储器，嵌 入式微控制器的处理能力和存储器的存储容量有限，因此w s n 节点的计算能力十 分有限。 ( 4 ) 通信能力有限。w s n 节点的通信带宽窄，覆盖范围小，还经常受到自然 环境的影响，导致w s n 节点通信失败。因此，网络的自恢复性、抗毁性也是应解 决的问题。 ( 5 ) 扩展性和灵活性。在一般应用中同一个网络中的w s n 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节点上面直接 添加，而无须重新设计新的节点。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。在不同的应用环境中，选择不同的组件自由配 置系统，这样在一个节点平台上可以高效灵活地针对不同应用开发新的硬件系统。 ( 6 ) 稳定性和安全性。在w s n 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，节点能稳定工作。有时，考虑到节点工作环境比较恶劣， 比如温度、压力、湿度等外部条件比较恶劣的条件下，w s n 节点的m c u 模块、通 信模块、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 得真实可信的数据。 ( 7 ) 低成本。由于w s n 节点数量多，网络中节点密集，只有低成本，才能大 量布置，表现出w s n 的各种优点。因此，在硬件设计时在满足要求的情况下尽量 选择成本低廉的方案。成本主要从3 个方向考虑：首先，电源模块不能选择过于昂 贵复杂的方案；其次，选择各种器件时在满足功能条件下必须使用低功耗器件；最 后，传感器精度选择时不能适用精度太高、线性很好的器件。 此外，w s n 可以分布在很广的地域，维护十分困难，因此w s n 节点的软、硬 件系统必须具有高强壮性和容错性。 8 硕士学位论文第一：章典型w s n 节点系统的构成与分析 2 2 典型w s n 节点介绍 目前实用化的传感器节点比较多，但其开发原型往往都是美国国家支持项目的 附属产品。随着传感器技术的迅速发展，在国内也有多家科研所以及企业开发出了 一系列适用的w s n 节点。在节点设计方案中，一类倾向于实现处理器模块和无线 通信模块的高度集成化。例如处理器和射频模块采用集成芯片c h i p c o n 公司的 c c l 0 1 0 芯片，一款内嵌8 位8 0 5 l 单片机的单片可编程u h f 收发器芯片。工作频 带3 1 5 m h 舶3 3 m h 8 5 8 m h z 9 1 5 m h z ；工作频率范围3 0 0 m h z - i g h z ，频率稳定性 极好；接收灵敏度1 0 7 d b m ( 典型) ；输出功率可以调整，最大+ 1 0 d b m ；无线数据传 输最大速度7 6 8 k b i t s ；采用低供电电压( 2 3 v - 3 6 v ) ；可以使用两节a a 或a a a 电 池供电；较低的电流消耗；无线信号强度监测功能r s s i ；电磁兼容为e n 3 0 02 2 0 1 f c c c f r 4 7p a i r t l 5 ；引脚、小型t q f p 封装；工作温度范围为一4 0 一8 5 ，适应任何恶 劣环境。还有一类仍然沿用四模块的原则。例如处理器采用a t m e g a l 2 8 芯片。 a t m e g a l 2 8 是基于a v rr i s c 结构的低功耗的c m o s8 位a v r 。射频模块c c 2 5 2 0 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的射频收发芯片，工作频带范围为2 3 9 4 - 2 5 0 7 g h z ，数据 速率达2 5 0 k b p s ，码片速率达2 mc h i p s ；采用o q p s k 调制方式：超低电流消耗， 接收灵敏度可以达到9 9 d b m ；抗邻频道干扰能力强。此外，还有射频模块采用 n r f 9 0 5 、t r l 0 0 0 。以下简单介绍国内外在无线传感器网络研究中开发出来的部分 典型w s n 节点。 2 2 1m i c a 系列节点 m i c a 系列节点是由u cb e r k e l e y 分校研制的主要用于w s n 研究的基本平台和 试验节点，主要包括w e c 、r e n e e 、m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 以及s p e c 等，其中 m i c a 2 和m i c a 2 d o t 节点已经由c r o s s b o x 公司正式量产。 m i c a 系列节点使用的处理器均为a t m e l 公司的产品，而且随着a t m e l 公司产品 的不断升级，后续节点使用的处理器能够提供更多的系统资源，如片上s r a m 、外 部f l a s h 也得到扩展。 m i c a 系列节点使用的无线模块在发展工程中改变过一次，在w e c 、r e n e e 、m i c a 中采用t r l 0 0 0 芯片，而在其他两款节点中采用了c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 芯片。 从传输性能上讲，t r l 0 0 0 芯片与c c l 0 0 0 芯片各有所长，c c l 0 0 0 芯片本身支持多 信道调频，扩展了w s n 节点的通信能力，为应用系统设计提供新的处理手段。 m i c a 2 d o t 是m i c a 2 的一个微缩版，主要通过简化m i c a 2 外部电路：l e d 灯由3 个减少至一个，外部接口由5 1 个减少为2 1 个并以环形方式排布；使用4 m h z 的外 9 硕士学位论文 第一：章典型w s n 节点系统的构成与分析 部时钟，降低系统运行时的功耗。 2 2 2m o t e 系列节点 m o t e 系列节点是由c r o s s b o w 公司基于m i c a 系列节点开发的一种w s n 产品。 最基本的m o t e 组件是m i c a 系列处理器无线模块，完全符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准。 最新型的m i c a 2 可以工作在8 6 8 9 16 m h z 、4 3 3 m h z 和3 15 m h z3 个频段，数据速率 是4 0 k b i t s ，通信范围可达3 0 0 m 。其配备了1 2 8 k b 的编程用闪存和5 1 2 k b 的测量 用闪存，4 k b 的e e p r o m ，串行通信接口为u a r t 模式。 2 2 3t e l o s 系列节点 t e l o s 节点是由美国国防部( d a r p a ) 支持的n e s t 项目的附属品，主要是考 虑到m i c a 系列节点能耗较大，采用了在待机时耗电较低的微处理器和无线收发l s i 产品。微处理器和无线收发l s l 分别采用美国德州仪器的m s p 4 3 0 和挪威c h i p c o n 的c c 2 4 2 0 。t e l o s 节点在耗电量方面，待机时为2 u w 、工作时为o 5 m w ，发送无线 信号时是4 5 m w 。从待机模式恢复到工作模式的时间( w a k e u pt i m e ) 平均为2 7 0 n s 。 u cb e r k e l e y 分校的上一代无线模块，待机时耗电量为3 0 u w 、工作时为6 m w 、唤 醒时间为最快2 0 0 u s 。 通过以上措施，大幅延长了节点的驱动时间。使用两节5 号干电池，在每隔3 分钟与网络交换一次同步信号的情况下，最长驱动时间为9 4 5 天。这时采用的网络 拓扑为网眼型，工作模式和待机模式的占空比采用不足1 的设定。t e l o s 节点的无 线通信模块采用的c c 2 4 2 0 是一种基于i e e e8 0 2 15 4 的无线收发l s i ，最大数据传 输速度为2 5 0 k b i t s 。利用2 4 g h z 频带。其中，m s p 4 3 0 是一种1 6 位的微控制器， 内置有1 2 位的a d 转换器。t e l o s 节点硬件的特点有： ( 1 ) 采用t i 公司的超低功耗m s p 4 3 0 微处理器。m s p 4 3 0 微控制器的丰频为 8 m h z ，具有1 0 k b 的片上r a m 和4 8 k b 的片上f l a s h ； ( 2 ) 通信模块采用c h i p c o n 公司的c c 2 4 0 0 芯片，通信频段为2 4 g h z ，传输 距离是5 0 1 2 5 m ，2 5 0 k b i t s 的数据收发速率，快速休眠； ( 3 ) 集成a d 转化器、d a 转换器、s v s 以及d m a 控制器； ( 4 ) 超低功耗； ( 5 ) 快速激活，激活时间小于6 u s ( 6 ) 支持t i n y o s ，便于应用层软件开发； ( 7 ) 独立调试板编程调试； ( 8 ) 采用s m a 天线； ( 9 ) 提供多种接口：1 2 c 、s p i 、u a r t 、接收器、a d 转换器、d a 转换器。 1 0 硕士学位论文 第二章典型w s n 节点系统的构成与分析 2 2 4g a i n 系列节点 g a i n 系列节点是由中科院计算所开发的一种节点。中科院计算所是国内较早涉 及w s n 领域的几个单位之一，其开发了可配置的w s n 节点及验证环境，它包括了 主控模块、供电模块、通信模块、传感模块、f p g a 支持模块等部分，各个部分从 功能上相互独立，共同形成一套完整的软硬件开发环境，为后面进行功能更强大的 w s n 节点及相应的应用系统的开发提供了有力的保障，可以支持w s n 或其他嵌入 式芯片的开发环境中，g a i n 节点目前已经推向市场，是国内第一款自主开发的w s n 节点。 g a i n 系列节点第一个版本的处理器芯片采用由中科院自行开发的微处理器，该 芯片具有哈佛总线结构，兼容了a v r 指令集，单发射、二级简单流水线结构，并根 据w s n 的特殊应用，设计了结合事件驱动的任务管理机制和资源管理机制的动态 功耗管理策略，该处理器中除了算法、逻辑等计算资源外还包括了u a r t 、s p i 、1 2 c 等通用接口、硬件加密协处理器、模数转换器、看门狗等外围设备。 该系列最新的g a i n s j 节点采用了j e n n i c 公司s o c 芯片j n 5 1 2 l ，此芯片集成了 m c u 和r f 组件。节点板载温湿度传感器，与p c 采用r s 2 3 2 接口相连，提供j n 51 2 l 的i o 扩展端口，并将其节点的插排上，用户可以根据不同的应用需求进行设计开 发。g a i n s j 节点提供了完整且兼容的i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 规范的协议栈， 可以实现多种网络拓扑：s a t r 、c l u s t e r 、m e s h 。在此基础上用户可以根据协议