无线传感器网络节点技术.pdf

无线传感器网络的节点技术 无线传感器网络的节点技术 赵泽 黄希 崔莉 中国科学院计算技术研究所 赵泽 黄希 崔莉 中国科学院计算技术研究所 无线传感器网络的节点系统是构成无线传感器网络的基础 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 算法等都需要在节点上得以实现并加以优化才具有实际意义 目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术 而面向下一代网络 采用片上系统集成技术的低功耗 低成本节点将能代表未来的发展趋势 本文将 介绍传感器网络节点的体系结构及设计方法 比较几种具有代表性的节点性能 同时 介绍下一代片上节点系统的研究进展 一 无线传感器网络节点的体系结构 一 无线传感器网络节点的体系结构 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求 目前问世的由不同公司以及 研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同 只是在一些有特殊要求的地方 存在细微的差别 无线节点包括如下几个基本单元 处理器单元 存储器单元 射频单元 扩展接口单元 传感器以及电源 节点的硬件体系结构框架如图 1 所示 处理器处理器 Flash Ram A D Timer 存储器传感器 扩展接口射频 电源 无线传感器网络节点 图 1 节点的硬件体系结构框架 二 节点设计技术要素 二 节点设计技术要素 在节点的设计过程中 主要需要考虑以下几个因素 1 节点的硬件成本要低廉 无线传感器网络的规模一般比较大 在目标环境系 统中 所布置的节点数量基本上在数百个到数千个以上 在如此大规模的布撒情 况下 单个节点的成本问题就显得尤为突出 因此 要求在能够满足系统需求的 条件下 将节点的硬件成本降低到足够低 2 节点具有足够的数据处理及存储能力 无线传感器网络节点主要担负两项功 能 一是进行环境数据的采集 二是进行数据传输 数据采集过程一般由处理器 直接控制完成 但在数据采集之后通常要对所采集的数据进行必要的处理以及存 储等工作 在此要占用一部分处理器与存储器资源 同时 由于节点要将所采集 的数据进行无线发送 所以要对数据进行进一步加工 即将数据组成能够满足网 络要求的数据包格式 由处理器将数据送往无线通信模块部分 另外 传感器网 络节点所担负的另外一项重要工作是路由功能 即将所接收到的数据包向下一级 网络节点进行转发 路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器资源 因此 无线节点要具有足够的数据处理和存储能力 能够同时完成数据采集与数据传输 的功能 3 节点具有低功耗设计 无线传感器网络节点一般采用电池供电 并且大多数 工作在野外环境或者人员不宜到达的地方 因而无线节点的电池不能够被随时更 换 这就要求节点能够在有限的电源供电的情况下工作的时间尽可能长以延长网 络的寿命 除采用大容量的电池以及像太阳能这样可以自己供电的方案之外 节 电本身就要具有低功耗设计技术 从而达到延长节点寿命的目的 4 根据不同应用场合的需要 无线传感器节点要具有不同的传感器接口 能与 不同的传感器相结合 进行灵活的配置 三 节点中常用的处理器 三 节点中常用的处理器 在无线节点各单元模块中 核心部分为处理器模块以及射频通信模块 处理 器决定了节点的数据处理能力 路由算法的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 因此不 同处理器的选用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命 目前在大多数实际应用中 选用不同处理器的依据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 ATMega128L 处理器 TI 公司生产的 MSP430 系列处理 器 少部分节点根据特殊的要求采用了功能强大的 ARM 处理器 以及根据节点面 向更加广泛用户的 8051 内核处理器 以下对不同处理器的功能及特点分别进行 介绍 ATMega128L 芯片是 ATMEL 公司生产的 AVR 系列处理器 该系列处理器为增 强 RISC 内载 Flash 的芯片 AVR 结构单片机的开发目的就是在于能够采用 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 处理器采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令 AVR 处 理器采用 Harvard 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 128K 字节的系统内可编程 Flash 4K 字节的 EEPROM 4K 字 节的内部 SRAM 64K 字节的优化的外部存储器空间 8 路 10 位 ADC 6 种睡眠 模式 使用 ATMega128L 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 1 CSRIO 研究室的 CSRIO 节点 2 以及中科院 计算所研制的 EASINet 系列节点 3 等 采用 MSP430 处理器的节点也占有一部分比例 TI 公司的 MSP430 系列单片 机是一种超低功耗的混合信号控制器 能够在低电压下以超低功耗状态工作 其 控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设 带 FLASH 存储器的单片机还可 以方便高效地进行在线仿真和编程 在无线传感器网络节点应用中 MSP430F149 以及 MSP430F1611 两种单片机使用最为常见 MSP430 采用 16 位 RISC 结构 其 丰富的寻址方式 简洁的内核指令 较高的处理速度 8M 晶体驱动 指令周期 125ns 大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力 MSP430F149 的特点在于具有较大的程序存储器空间 为 60KB 的 Flash 存储器空 间 具有 2KB 的数据 RAM 空间 而 MSP430F1611 的特点在于具有较大的数据存储 器空间 为 10KB 的 RAM 存储器 而程序存储器空间稍小 为 48KB 的 Flash 但 也已能够满足程序的需要 MSP430 系列单片机最显著的特点就是其超低功耗 在 1 8 3 6V 电压 1MHz 的时钟条件下运行 耗电电流在 0 1 400mA 之间 RAM 在节电模式耗电为 1uA 关断模式下仅为 0 2mA 这样的超低功耗 对于无 线传感器网络节点来说 能够有效地解决一部分能量消耗的问题 使用 MSP430 系列单片机作为核心处理器的无线节点包括 Moteiv 公司生产的 Tmote 节点 4 Telos ShockFish 公司的 TinyNode 584 节点 5 等 若需要无线传感器网络节点实现复杂的数据处理功能以及复杂的路由协议 等 就要采用功能更强大的 CPU 来满足数据计算量的要求 对于采用高性能处 理器的传感器节点也要考虑在性能和功耗之间保持一定的平衡 以求得用最小的 功耗代价换取最大的性能提高 在高性能节点中 具有典型代表性的节点是耶鲁 大学的 XYZ 节点 6 它采用了 OKI 公司生产的 ML67Q500 x 系列的处理器 ML67Q500 x 系列处理器采用了 32 位 ARM 内核 内置了 32KB 的 SRAM 以及 4KB 的 Boot ROM 其中 ML67Q5002 以及 ML67Q5003 更是分别内置了 256KB 和 512KB 的 FlashROM 这为存储无线传感器网络节点的程序提供了充足的空间 同时也能够 大大简化节点硬件结构的复杂程度 该系列的处理器时钟可以工作在 60MHz 频率 下 能够大幅度地提高节点的运算速度 另外一款具有代表性的高性能节点是 Intel 公司生产的 imote 和 imote2 节 点 7 imote2 节点采用了 PXA270 处理器 该处理器是 Intel 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 个无线多媒体扩展技术 MMX 可以在掌上设备上播放高质量的视频和玩三维游 戏 同时 PXA270 还加入了 Intel SpeedStep 动态电源管理技术 在保证 CPU 性 能的情况下 极大程度地降低移动设备功耗 在无线节点上使用这样强大的处理 器 足以能够应付包括视频在内的各种复杂数据处理功能 在无线传感器网络节 点中采用的处理器性能综合比较见表 1 表 1 无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较 性能参数 处理器 ATMega128L MSP430F1611 ML67Q5002 PXA270 总线带宽 位 8 16 32 32 时钟频率 MHz 7 3728 4 60 Up to 520 工作电压 3 3 3 3 3 3 2 5 3 3 工作电流 20mA 600uA 120mA 休眠电流 25uA 4 3uA 20uA 内部 FLASH 128KB 48KB 256B 256KB 内部 SRAM 4KB 10KB 32KB 四 节点中常用的射频通信模块 四 节点中常用的射频通信模块 在无线传感器网络节点中 核心部分除包括 CPU 外 另外一个重要的部分就 是射频通信部分 由于传感器网络应用的特殊性 使用像 802 11 这样的复杂协 议 在该领域并不十分合适 主要是由于协议的复杂性会带来很大的能量消耗 同时节点的处理功能并不是十分强大 而使用这样复杂的协议要占用大量的处理 器资源 因此 各大公司以及研究机构并不采用 802 11 无线通信协议作为无线 传感器网络的无线通信底层部分 在无线传感器网络中 广泛应用的底层通信方 式包括使用 ISM 波段的普通射频通信以及具有 802 15 4 协议和蓝牙通信协议的 射频通信 使用普通 ISM 频段的无线传感器网络节点根据在不同的国家和地区对 于 ISM 波段频率的定义不同 一般将通信频率设置为 433MHz 或者 868 915MHz 在硬件的设计中 所采用的芯片基本上包括 Chipcon 公司生产的 CC1000 Nordic 公司生产的 nrf903 Semtech 公司生产的 XE1205 这三种芯片只包含单纯的无 线通信功能 没有协议的支持 非常适合研究无线传感器网络的底层 MAC 通信协 议 所研究的协议内容能够在这样的平台上完全实现 Mica2 与 EASI210 节点采 用了 CC1000 芯片 CSRIO 节点采用了 nrf903 芯片 TinyNode 584 节点采用了 XE1205 芯片 还有部分无线传感器网络节点使用了带有 802 15 4 ZigBee 协议的通信芯 片 具有这样协议的芯片包括Chipcon公司的CC2420芯片 RFWave公司的RFW102 芯片组 这两种芯片 组 都是工作在 2 4GHz 采用 DSSS 直接序列扩频技术 功耗电流较低 无线数据的通信速率较快 但是由于工作频率较高 所以在同样 的功率条件下 通信距离要比采用 ISM 波段通信频率的芯片相对较近 由于该种 芯片内部已经实现了 802 15 4 ZigBee 通信协议 因此在节点程序的控制上不需 要对 MAC 层协议进行过多操作 因为所有的 MAC 协议已经由芯片处理完成了 开 发者只需要对网络层和应用层进行控制及操作即可 简化了开发的过程 micaz 节点 Tmote 节点 XYZ 节点 imote2 节点采用了 CC2420 芯片 上述这些芯片在功能以及功耗等方面的比较见表 2 更加具体的技术指标可 以在相应的数据手册中获得 表 2 无线传感器网络节点中采用的射频模块综合比较 性能参数 射频模块 CC1000 nrf903 XE1205 CC2420 RFW102 通信频率 MHz 300 1000 433 868 915 433 868 915 2400 2400 调制方式 FSK GFSK FSK O QPSK ASK 编码方式 NRZ 曼彻斯特 直接同 异步 NRZ DSSS DSSS 工作电压 V 2 7 5 2 7 3 3 2 4 3 9 2 1 3 6 2 4 3 6 最大输出功率 dbm 10 10 15 0 7 灵敏度 dbm 110 104 110 94 77 传输速度 kbps 76 8 76 8 153 2 250 1000 接收电流 mA 7 4 18 5 14 19 7 7 协议 无 无 无 802 15 4 ZigBee 802 15 4 ZigBee 五 节点上的扩展接口 五 节点上的扩展接口 下面对各种无线传感器节点所连接的传感器和扩展接口进行介绍 无线传感 器网络节点是用来采集所处环境的信息和参数的 由于节点的应用需求不同 因 此节点所带的传感器也不同 为了增加无线传感器网络节点的通用性以及可扩展 性 部分传感器节点的设计中将处理器 通信电路部分与传感器模块进行了分别 的设计 中间采用扩展接口将处理器 通信电路板与传感器电路板进行连接 采 用这种结构设计电路的好处使增加了节点的扩展性能 在不同的要求下 若需要 采用不同的传感器 只需要更换不同的传感器电路板就可以 而不需要重新设计 处理器和射频电路部分 若对于传感器节点只需要采集某种固定的环境参数 则 将处理器 通信电路和传感器电路设计在同一个电路板上 这样虽然降低了传感 器节点的通用性 但也同时降低了节点的成本以及增加了节点的可靠性 本文介绍中采用扩展接口方式连接传感器的无线传感器网络节点包括 mica2 micaz 节点 EASI210 节点 XYZ 节点 CSRIO 节点 TinyNode 584 节点 imote2 节点 采用将传感器与通信 处理电路设计在同一个电路板上的节点包括 Tmote 节点 部分无线传感器网络节点在应用中 对实时性要求不高 则可以将数据暂时 存储在节点内 保存一段时间后集中发送 这样既节省了节点数据传输的能量 同时又有效的减少了无线信道的资源占用 数据存储需要在无线节点中进行存储 器的扩展 所扩展的存储器分为 Flash 存储器 EEPROM 存储器以及 SRAM 存储器 根据需要不同 可以选择不同形式以及不同容量的存储器芯片 在上述所介绍的 节点中 扩展了存储器的节点包括 mica2 micaz 节点 EASI210 节点 Tmote 节点 XYZ 节点 TinyNode 584 节点和 CSRIO 节点等 六 无线传感器网络节点综合比较 六 无线传感器网络节点综合比较 在本文中 主要比较CrossBow公司生产的Mica2节点以及Micaz节点 CSRIO 实验室的CSRIO节点 moteiv公司的Tmote节点 ShockFish公司的TinyNode 584 节点 耶鲁大学的 XYZ 节点以及 Inter 公司的 imote2 节点 对于国内所研究的 节点 选择了中科院计算所的 EASI210 节点进行比较 见表 3 表 3 无线传感器网络节点综合比较 无线节点 参数 处理器 射频芯片 扩展存储器特点 Mica2 ATMega128L CC1000 512KB 低功耗 电源监测 全球 唯一地址 Mica z ATMega128L CC2420 512KB 低功耗 Tmote MSP430F1611 CC2420 USB 接口 超低功耗 集 成温湿度 光照度传感器 CSIRO ATMega128L nrf903 4KB 使用 GFSK 调制 误码率 低 TinyNode 584 MSP430F1611 XE1205 512KB 无线传输速率高 距离远 Imote2 PXA270 CC2420 32MB USB 接口 处理功能强 大 可以进行音视频处理 XYZ ML67Q5002 CC2420 处理功能强大 EASI210 ATMega128L CC1000 512KB 电源监测 低功耗 高稳 定性 全球唯一地址 由表 3 可以看出 各公司生产的不同无线传感器网络节点根据所选用的核心 处理器与射频通信芯片以及扩展功能的不同 分别具有不同的特点 由于 MSP430 单片机具有的超低功耗点 而处理器在节点能量消耗占有一定比例 因此采用了 MSP430 系列单片机作为处理器的无线节点大多具有超低功耗的特点 例如其中 的 Tmote 节点 采用了 2 4GHz 无线通信频率的节点都直接具有 802 15 4 ZigBee 通信协议 更加符合国际潮流 同时简化了开发步骤 更加具有兼容性 例如其 中的 Mica z 节点 Tmote 节点 Imote2 节点以及 XYZ 节点 采用了超强处理 器的节点更加擅长处理大数据量 适用于高速通信 环境复杂 需要强大数据处 理能力的场合 例如 imote 2 节点以及 XYZ 节点 使用 ATMega128L 芯片处理器 则在性能和功耗之间较为平衡 处理速度较快 而功耗又相对较低 是一种折中 的方案 在射频方面 使用了不具有 ZigBee 协议射频芯片的节点由于通信频率 比较低 因此在通信距离以及功耗上较有优势 与 2 4GHz 通信频率的芯片相比 在相同的功耗下 可以以较远的距离通信 同时 研究单位可以根据不同情况 开发满足自己需要的底层 MAC 协议 七 面向下一代网络的片上节点系统七 面向下一代网络的片上节点系统 如上所述 目前无线传感器网络的节点可以分为两类 一类是采用以通用的 CPU 为核心部件 类似嵌入式系统的方式设计的节点 另一类则是面向下一代网 络的采用 FPGA ASIC 等专用器件设计的平台 前一类节点的典型代表有 Crossbow 的 Mica 系列以及 Telos 系列的节点 它 们的特点是采用通用的 CPU 来外接传感器 射频芯片等外设以此构成传感器节 点 并以软件开发为主要开发手段 此类节点一般由公司来提供节点硬件平台并 出售给实验室来进行研发 由于有 TinyOS 等操作系统的支持 使得围绕此类节 点的研发相对容易 但是由于节点上的硬件已经固定 使得研发的灵活性有限 一般只能在已有硬件和操作系统的基础上进行网络协议的开发以及应用层的开 发 并不能在物理设计上进行改进来减少节点的体积 成本和功耗 并且由于节 点的资源有限 很难进行复杂程序的开发 下一代节点的典型代表有 U C Berkeley 的 Smart Dust 以及 PicoRadio CSEM 的 WiseNET 等 它们均采用了 SOC System on Chip 技术 在一个芯片上 集成了 CPU 自定义逻辑模块 甚至射频模块和传感器模块 用这样的芯片辅以 较少的外设来实现传感器节点 目前此类节点的开发 一般先在 FPGA 开发平台 上进行 验证完成后再转为 ASIC 量产 由于能够自行选择和设计逻辑模块 此 类平台的开发灵活性有了很大的提高 在 FPGA 验证完成的情况下 配上先进的 工艺来设计 ASIC 芯片 可以大幅度的减少节点的功耗 体积和成本并且提高可 靠性 不过此类节点的开发比较复杂 目前多为各个实验室自行开发各自的平台 不过随着 SOC 技术的发展和 IP Intellectual Property 模块的普及 此类节点 的开发会越来越容易 所谓的 SOC System on Chip 就是在集成电路设计中 加入一个 CPU 的内 核 把 CPU 总线 存贮器和总线上挂接的 IO 设备连接在一起形成一个具备智 能化的功能系统 由于这个系统是在一个芯片上实现的 所以被称为 SOC 最早 的 SOC 是从单片机系统演化出来的 最初 Intel 开发的 8031 系列单片机只是一 个 CPU 后来许多开发商在 8031CPU 的基础上 又进一步根据应用的需求把程序 存贮器 数据存贮器 I2C PWM AD CAN 等功能模块加以集成在一个芯片上 形成了最初的 SOC 随着集成电路工艺和设计手段的进步 把一个更大的系统集 成在一个小的芯片上变得相对简单与容易 于是 SOC 如雨后春笋般地出现 目前 SOC 已经渗透到电子信息产业的方方面面 嵌入式系统与 SOC 结合也越来越紧密 目前 SOC 的另外一个分支是 FPGA 上的 SOC 也就是所谓的 PSOC 或者 SOPC 前者 是 Xilinx 公司对 FPGA SOC 的称呼 后者是 Altera 采用的称呼 意思都是把系 统集成到一个可编程的芯片上 既然要在 FPGA 上实现 SOC 首先必须在 SOC 上 有一个 CPU Xilinx 公司和 Altera 公司均为自己公司的 FPGA 提供了硬核 CPU 和软核 CPU Xilinx 公司提供硬核 CPU 的器件是 VertexII Pro 系列 上面有一 个或者数个 IBM PPC405 的内核 Altera 为其 APEXII 器件提供了 ARM 硬核 所 谓硬核就是这个 CPU 本身就与 FPGA 一起集成到了芯片内部 同时这两个公司都 提供了 CPU 软核 CPU 软核是以 IP 形式出现的 Xilinx 公司的软核是 MicroBlaze CPU Altera 公司提供的软核叫做 NOIS 目前 SOC 技术中 像 CPU RS232 接口等常用的模块已经以 IP 的形式提供给 开发者 开发者不用写代码就可以很容易地在 FPGA 上划分出这些常用的模块 并把它们相连 就像在一块电路板上连接各个芯片一样 然而 电路板一旦被制 作出来 想要添加和修改原件就比较困难 往往需要重新制作电路板 非常不方 便 而对 FPGA 来说只是需要内部重新编程而已 不需要做硬件上的改动 因此 与采用嵌入式系统架构设计的节点相比 用 FPGA 来设计验证传感器节点 在硬 件修改方面 具有更大的灵活性 同时可以在 FPGA 内嵌入专用的逻辑模块 来 实现节点的功能 这比用软件来实现节点功能的方法更有针对性 能得到更高的 效率 也为大幅度降低节点功耗提供了可能 接下来 本文将介绍一些已有的用 SoC 方法设计出来的传感器节点 Smart Dust 8 Smart Dust 是 1999 年 U C Berkeley 在美国国防部委托下开发出的一套无 线传感器网络节点 它的结构图 2 如下 图 2 Smart Dust 结构 为了减少体积和功耗 Smart Dust 放弃了传统的 RF 通信方式 而采用光通 信作为它的通信方式 同时 它采用了 MEMS Micro ElectroMechanical Systems 微机电系统 融合了硅微加工 光刻铸造成型 LIGA 和精密机械加工等多种微加 工技术 使得它的长度在 5mm 之内 Smart Dust 采用了 SOC 的方式 在一个芯 片中集成了传感器 处理器 光通信装置等器件 成功地达到了减小体积 降低 功耗的目的 而这是通用的嵌入式平台所难以达到的 PicoRadio Test Bed 9 PicoRadio研究组属于Berkeley的无线研究中心 Berkeley Wireless Research Center 它们致力于小体积 低功耗SOC设备以及无线传感器网络的 研究 为了研发采用SOC技术的无线传感器网络节点PicoNode 2002年它们设计 了PicoRadio Test Bed这一研发平台 如图3所示 它由处理器板 电源板 通 信板和传感器板四个板块叠加而成 图3 PicoRadio Test Bed节点 其中处理器板采用了 ARM 1100 的 CPU 和 Xilinx XC4020XLA 的 FPGA 作为处 理器 通信板采用蓝牙作为通信方式 在开发中 应用层和高程次的网络协议 路 由等 用软件的方式通过 CPU 来实现 而低层次的网络协议 MAC 等 以及蓝牙 芯片的控制则通过硬件编程的方式用 FPGA 来实现 CPU 和 FPGA 的关系如图 4 所 示 图4 PicoRadio Test Bed节点的结构 由于 PicoRadio Test Bed 只是一个测试平台 还没有实现真正意义上的 SoC 因此 PicoRadio Test Bed 体积和功耗还难以让人满意 尤其是它的工作时间只 有 24 小时 不过 PicoRadio 的研究表明 在运行同样 MAC 协议的相同工艺下不 同平台在功耗方面有较大差异 以 ASIC 为最低 因此 只要将 PicoRadio Test Bed 转化为 ASIC 芯片 则它的功耗和体积都可以大大下降 从而达到低功耗和 体积的目的 WiseNET 10 WiseNET是瑞士CMES Swiss Center for Electronics and Microtechnology 开发的一套无线传感器网络节点芯片 它的结构如图 5 所示 图 5 WiseNET 的结构 WiseNET 采用 SOC 技术 专门为无线传感器网络而设计 在一块芯片上集成 了射频模块 MAC 协议 采用 Cool RISC 结构的微控制器 图中的 C 电源模 块 ADC 模块以及 SPI I2C 的接口 用户只需外接电池 传感器和天线即可将 它制作成节点 从功能 体积和功耗上它都比用通用的 CPU 设计出的传感器节点 有较大的改进 Multi Radio WSN Platform 11 如果说前三种节点不同体现的是 SOC 节点在体积和功耗上的优势 Tampere University of Technology 坦佩雷技术大学 芬兰 的 Multi Radio WSN Platform 则体现出了 SOC 节点在硬件灵活性上的优势 Multi Radio WSN Platform 的节点照片以及体系结构如图 6 所示 图 6 Multi Radio WSN Platform 的节点照片以及体系结构 与往常的节点不同 Multi Radio WSN Platform 采用了四个射频模块 用 频分的方式进行手法数据 这样 它可以在 4 个频段上同时进行数据的收发 来 达到较高的数据传输速率 Multi Radio WSN Platform 采用的是 Altera Cyclone EP1C20 的 FPGA 并 使用了 Nios II CPU 软核作为片上的处理器 同时它在 FPGA 上实现了四个射频 芯片的接口模块 用它们来控制外部的 4 个射频芯片 同时它在 FPGA 内建立一 个射频控制模块来协调四个射频芯片的工作 使它们工作在不同的频段 互不干 扰 在这个节点平台上 研究者可以研究和开发具有多个射频发射和接收模块的 网络协议 从而得到更高的传输速率 结束语 结束语 无线传感器网络节点由于应用环境以及可选用元件的多样性 使得目前各公 司以及研究机构所研制生产的节点也呈现出极大的多样性 同时由于无线传感器 网络的模式以及功能基本相同 因此各种无线节点在结构上基本一致 都包括了 处理器 存储器 射频通信模块以及扩展接口几个主要部分 同时每种节点在个 别地方具有一些特色 例如存储器 传感器以及其他的功能等方面 在实际的使 用过程中 可根据不同的需求 选择合适的无线传感器节点 从而能够更大的发 挥出节点的性能同时并不造成资源的浪费 展望下一代网络 SOC 节点 可以看出 用 SOC 方法设计出的节点与用嵌入式 平台设计出的节点相比 往往体积更小 功耗更低 同时 SOC 也能为协议的开发 者提供更加多样 更加灵活的硬件平台 将来 不仅是接口模块 MAC 协议可以 用硬件实现 在针对大规模特定应用时还可以将路由协议也用硬件来实现 甚至 做成完全用硬件实现的不含 CPU 的 ASIC 节点 来获得更高的效率 降低成本和 功耗 虽然用 SOC 设计节点有着工作量更大 更复杂的缺点 但是由于它比嵌入 式平台这种通用平台更有针对性 更符合无线传感器网络节点在功耗 体积和成 本上的需求 随着 SOC 技术的进步 芯片加工工艺的发展 SOC 在无线传感器网 络中将得到更大的应用 参考文献 参考文献 1 Crossbow Technology Inc mica2 datasheet 2 Autonomous Systems Lab http www