无线传感器网络节点的设计和实现

第27卷第9期2006年9月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol127No19Sep12006无线传感器网络节点的设计和实现3吴键袁慎芳(南京航空航天大学智能材料与结构研究所南京摘要无线传感网络是当前国内外传感器技术领域的热点研究课题,本文给出了一种构建智能无线传感网络通用节点的体系结构,并运用该体系结构的设计思想完成了无线传感节点的研制。该智能无线传感节点采用的软件开发系统是专用于无线传感网络的开放源代码的操作系统TinyOS,运用该平台完成了节点的性能测试和试验。结果表明,该节点达到了设计要求,该设计思想可以提高无线传感网络节点的研制效率。关键词无线传感网络通用体系结构设计思想中图分类号TP393文献标识码A国家标准学科分类代码460.40Design and implementation of a general node for wireless sensor net worksWu Jian Yuan Shenfang(T he A eronautic key laboratory of smart material and st ructure,N anj ing Universit yof A eronautics and A st ronautics,N anj ing,ChinaAbstractThe wireless sensor network is t he hot spot of sensor technology research currently.In t his paper,a novel design met hod is p resented for building a general architect ure of t he wireless sensor network node.Based on t his design idea,t he develop ment of a wireless sensor node was completed.The software develop ment of t he designed node is based on t he TinyOS platform,which is an operating system specially designed for wireless sensor network.On t his platform,t he performance test s of t he designed wireless sensor node were conducted. The test result s demonstrate t hat t he presented design met hod can enhance t he efficiency of wireless sensor net2 work node design.K ey w ordswireless sensor networks general architect ure design idea1引言无线传感网络的概念是基于一个简单的等式:传感技术+中央处理器+无线通信=数以千计的潜在应用可能。当需要对诸如温度、光通量、位移以及噪声等环境参数进行不间断地传感、测试和无线信号传输时,可以考虑在相关领域中配置智能化的无线传感网络,通过对环境待测参数的传感数据分析来达到检测目的,这一技术已经应用到国防军事1、动物的习性观测2、材料结构健康监测3、交通管理4、医疗卫生5、灾害监测6等领域中。无线传感器网络的最初研究来源于美国军方,美国国防先进研究计划局(DARPA于2001年资助加州伯克力大学开发无线传感器系统。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划,投资3400万美元用于支持该方面的基础研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前国内无线传感器网络尚处于研究阶段,清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究324。其中针对面向结构健康监测的无线传感网络的研究,哈尔滨工业大学,南京航空航天大学都开展了一些初步的探索526,但是因为目前国内几乎没有自行研制的无线智能传感节点,都是购买Mote产品进行前期探索,这方面3本文于2005年5月收到,系国家自然科学基金国际合作研究(、国家自然科学基金重大研究计划(资助项目。第9期吴键等:无线传感器网络节点的设计和实现1121同国外的差距较大。本文给出了一种构建智能无线传感网络通用节点的体系结构,并运用该体系结构的设计思想完成了无线传感节点的研制。2通用无线传感网络节点的体系结构无线传感器节点的通用结构必须以共享硬件资源为前提,能够分离一般数据通路和无线数据通路,并且能兼容多种通信协议。为了使无线收发器实时、高速的通信,需要采用专用的硬件加速器以满足系统高性能、高效率的要求。图1描述了本文给出的通用节点的体系结构。该结构的核心是一个中央处理器,用于分时处理操作请求和通信协议。仅仅采用单一的处理器结构是因为在某些需要的场合可以将所有的处理器资源用于单一任务的运行。这样的结构完全出于提高处理能力和处理效率的考虑。该系统中唯一的核心处理器需要具有额外的硬件电路以支持精细地并行处理操作,因为该处理器用于分配系统中多个并行操作,所以这样的设计可以尽可能地提高并行操作的转换效率。降低并行操作转换时间的一般方法是添加寄存器窗口。CPU 集成多个寄存器组,无需每次操作转换的数据都要写进存储器,只需要简单地保存在空的寄存器组中。 图1通用无线节点的结构框图和典型的微控制器设计一样,数据通路是通过共享的内部总线和系统中其他的组件相连接。存储器、I/O 口、模数转换器、系统时钟和硬件加速器都是通过这样的内部总线相连的。通过利用高速、低等待时间的内部总线,数据能方便地在处理器、存储器和外围设备之间传送。除了允许CPU 和其他外围设备相连之外,这些内部总线还可以使外围设备之间相互连接。连接在内部总线上的外围设备能够直接从存储器子系统中获取数据,也可以将数据送到UAR T 外围设备。这样的系统具有很高的灵活性,其中的数据编码外围设备能够直接从存储器取出数据,然后将取得的数据送至数据传送加速器,如射频信道的调制器。该结构系统中的CPU 只是简单地规划数据传送任务,并不直接处理数据。在共享的内部总线上所有设备都是通过一个共享的存储器接口进行操作。每个设备都能控制映射在共享地址空间的结构。其各个不同操作专用的共享地址空间可以动态地满足多种应用的需求。该系统的优势在于采用了专用硬件加速器,相对于一般数据通路的低效率操作,这些硬件加速器可以高效地执行底层操作,每一个加速器都支持针对于无线网络通信的操作,通过提高这些操作的效率,系统整体的功耗会大大降低。另外需要重点说明的就是这些硬件加速器仅仅是针对于通信的底层操作,并不包括完整的通信协议的执行,通过简单地软件重配置该系统可以同时支持多种通信协议。硬件加速器也支持那些用于尽可能优化无线收发器功耗的操作,比如起始符号位的检测和底层数据位调制。其目的还在于最小化硬件的功能,这对于高效地支持应用需求、分离通信和处理通道很有必要。虽然硬件加速器是针对底层操作设计的,并用于支持多种通信协议,但是这些操作并不是很简单的。例如用于编密码的硬件加速器7,它的操作包括取出必要的数据并进行加密或解密操作,具体地它可以用于加密通信数据、数据认证或者确认片外Flash 中存储数据的安全性。当该硬件加速器进行核心加密数据操作时,加密的数据将暴露给CPU 或者其他的外围设备,这是此系统相对于其他保密通信系统的不足之处。但是,该系统是在牺牲了保密特性的基础上大大增加了系统的灵活性。3通用无线传感节点的设计和实现3.1通用无线传感节点的设计在研究通用无线传感器节点的体系结构的基础上,本文进行了实际无线传感节点的设计。选用单一的中央微控制器处理所有计算操作,同时增加了硬件加速器。选用的硬件加速器可以提高数据传送的波特率和定时的精确度。因为现有商用微控制器的可用接口很有限,所以设计的节点只是上述通用结构体系的近似实现。软件方面利用TinyOS 的并行机制可以实现在单CPU 上运行多线程的任务8。3. 1.1软件开发系统TinyOSTinyOS 是美国加州大学伯克利分校研发的基于事件驱动的嵌入式开源的专门为无线嵌入式传感网络设计的网络传感操作系统9,其目标是用最少的硬件支持网络传感器的并发密集型操作。TinyOS 的特征是面向组件的结构,通过提供一套模块软件构造工具实现,设计者可以选择所需要的组件,这样就可以使嵌入式操作系统1122仪器仪表学报第27卷在代码实施要求非常严格的情况下做到尽可能的小,文件的大小甚至可以小到200字节。组件库包括网络协议、分布式服务、传感驱动器和数据采集工具,这些组件都可以作为进一步开发的基础,本文选用此操作系统作为节点的测试和开发平台。TinyOS是用NesC编写的,NesC是一种专门的面向组件的语言,它是专门为嵌入式系统比如嵌入式传感器设计的。NesC具有一个与C语言类似的语法,支持Tin2 yOS的并发模式以及命名,具有连接其他软件组件的机制。NesC定义了组件的模型,支持事件驱动系统。这种模型对于简单的时间流程提供了双向的接口,同时支持灵活的软硬件边界处理。NesC定义了一个简单的但是很有效的并发机制,这样可以让NesC的编译器在编译的时候发现竞争的数据,同时可以在资源很有限的情况下实现很好的并发行为。基于上面的这些性质,NesC设计时候具有如下的特点:NesC是一种扩展性的C语言,由于C语言具有高效性,几乎兼容所有的微控制器,并且C 语言的可读性很强,同时C语言的掌握者也很多,有助于NesC技术的推广;NesC的程序易于整体的程序分析, NesC没有动态的内存分配,这一限制使整个系统调用非常简单并且更加准确;NesC支持并且反映着TinyOS的设计。3. 1.2硬件设计该节点集成了A TMEGA128处理器、CC1000可调频无线收发器10、外部存储器和通信加速器。应用控制器和无线收发器的直接相连使得其应用方式相当灵活。图2设计节点的结构框图图2是节点的结构框图,主要包括5个主要的模块:处理器、无线射频通信、电源管理、I/O扩展和外部存储器。中央微控制器采用的是At mel的A TMEGA128,主要时钟由一个外部的8M Hz的晶振提供,处理速度可以达到8百万条指令每秒(MIPS11。A TMEGA128属于At mel公司开发的AVR系列单片机中性能最优的8位微控制器,它集成了128Kb的Flash程序存储器、4Kb静态RAM、8通道10位模数转换器、3个硬件时钟、48根通用I/O接口、1个通用异步收发器(UAR T、1个同步串行外设接口。一般情况下,只是在制造产品固化软件或者现场维护时需要对嵌入式微控制器进行编程,但是在无线传感网络中需要随时对微控制器进行重新编程。本文采用协处理器对A TMEGA128重新编程。另外为了给每个节点提供一个唯一的网络辨识,每个节点都采用美信(Maxim公司的单总线硅序列号芯片DS2401,这是一个低功耗的ROM设备,不需要外接电源12。无线射频模块采用CHIPCON公司的集成射频芯片CC1000,它是一个频率可调的单芯片无线收发器,功耗低且与微控制器的接口和电路简单,图3是CC1000的典型应用电路图。外部存储器采用4Mb的At mel串行FLASH存储器A T45DB041,用于数据的存储13。选用该存储器的原因是它的接口简单且封装小,主要存储采集的传感数据和从网络接口传来的临时程序镜像。电源管理模块用于调节和供给系统工作电压,电源采用2节五号(AA电池,选用Maxim1678直流-直流(DC2DC转换器,提供3.3V直流电,Maxim1678允许的最低输入电压为1.1V14。在超低功耗休眠模式下关闭直流升压转换器可以降低功耗,但同时无线收发器将停止工作。I/O扩展子系统采用一个51针的板对板连接器,用于外接各种需要的传感器板和编程板。可以将连接器划分成5个部分:8个模拟接口、8个电源控制接口、3个脉冲宽度调制接口、2个模拟比较接口、4个外部中断接口、1个IIC接口、1个SPI接口、1个串行口和1个对微控制器编程的接口。扩展连接器可以用于对节点进行编程,与其他设备进行通信,比如作为网关节点的PC机。另外标准的UAR T接口可以控制或提供数据给任何具备RS2232协议的设备。可配接多种传感器的特点使得该节点得到了广泛地应用。图3CC1000的典型应用电路3.2节点的测试试验节点的外形尺寸(7.54cm略大于2节AA电池,电路板采用多层板抗干扰设计。需要说明的是,设计的第9期吴键等:无线传感器网络节点的设计和实现1123节点仅仅包括处理器和无线通信模块的无线通信和处理节点,并不包括传感器及其信号调理部分。试验中,采用函数发生器输入测试信号的方法模拟输入的传感器信号。测试项目主要包括4个方面:功耗、传输距离、采样速率以及无线传输速率。3. 2.1功耗测试首先是测试节点的功耗,采用2节五号(AA电池供电,在4个节点上采用TinyOS的Cnt ToLedsAndRf m应用组件(每4s传送1个TOS数据包并点亮3个L ED,无线射频设定在916M Hz,传送功率为0dBm,该试验的工作电流在1015mA左右。表1是节点采用不同容量电池供电时系统的工作寿命。试验测得采用容量21700mAh的AA电池时节点连续工作的时间为170h。如果使得该节点始终工作在超低功耗的工作状态(小于200A,其工作时间超过一年,可以满足特定应用场合对系统寿命的特殊要求。表1节点采用不同容量电池供电时系统的工作寿命电池容量/(mAh工作寿命/h3. 2.2传输距离测试节点的传输距离和功耗密切相关,无线传输功率大功耗必定大,但同时其传输距离会增加。表2为设定不同的传输功率情况下试验中所测得的节点传输距离(实验室环境。该项测试同样采用TinyOS的Cnt ToLed2 sAndRf m应用组件,以节点不能接收到数据包(即L ED 不闪亮为传输距离的判定界限。试验测得的传输距离能够满足大多数应用中对传感网络节点距离的要求,而且如果在野外空旷环境进行测试,传输距离将会更远。表2不同的传输功率情况下测得的节点传输距离功率P/dBm-20-1005距离L/m7.51127.5333. 2.3无线数据采集测试节点的采样速率和传输速率完全取决于CPU内集成的AD转换器的采样速率和无线收发器的传输速率, A TMEGA128内集成AD转换器的采样速率最高为15ksps(每秒钟采样,CC1000的最高传输速率为76.8kbit/s(采用曼彻斯特编码。试验中利用函数发生器产生峰峰值为250mA的正弦波信号直接输入至AD 转换器,通过2个节点间的无线通信将信号直接显示在PC上(传输距离为20m,试验中采用了TinyOS的示波器显示程序Oscilloscope(采样计数器设为10,图5是正弦波频率为1k Hz时的信号采集波形,可以看出采集的数据包能够很好地恢复出输入波形,如果提高采样的次数(即降低采样计数器的值,能恢复输入正弦波的频率可以达10k Hz,能够满足一般应用的需求;当需要更高的采样频率时,可以考虑外接高速的AD转换器。 上述针对功耗、传输距离、采样速率以及无线传输速率的测试表明,本文所研制的智能无线传感节点完全达图5正弦波频率为1k Hz时的信号采集波形到了设计要求,所提出的无线传感网络的设计方法是可行的,依据该方法可以提高无线传感网络节点的研制效率。4结论在研究无线传感器节点通用体系结构的基础上,设计了一个通用无线传感节点,其硬件系统选用单一的中央微控制器A TMEGA128处理所有计算操作,无线通信模块采用单芯片可调频射频芯片CC1000,电路采用4层印刷电路板抗干扰设计。软件开发平台采用专用于无线传感网络的开放源代码操作系统TinyOS。在此系统上完成了节点的测试试验,结果表明,该节点的功耗、传输距离、采样速率以及无线传输速率都满足一般的应用要求,该设计方法可以提高无线传感网络节点的研制效率,提高无线传感网络的设计和开发效率,加快无线传感网络的应用速度。参考文献1ROM E K.Time synchronization in Ad Hoc networksC.Mobihoc,2001.2MA INWARIN G A,POL ASTRE J R.SZEWCZYK DC.Wireless sensor networks for habitat monitoringJ.IntelResearch,IRB2TR,2002,6.3NISTs SHIELD ProjectEB/OL./atpcf /atpcf/prjbrief s/prjbrief.cf m?ProjectNumber=.4SHIH E,CHO S,IC KES N,et al.Physical layer driv21124仪器仪表学报第27卷en protocol and algorithm design for energy2efficientwireless sensor networksC.In:Proceedings of theACM MobiCom2001.Rome:ACM Press,2001:.5NOU R Y N,H ERV E T,RIALL E V,etal.Monitoringbehavior in home using a smart fall sensorC.In:Pro2ceedings of the IEEE2EMBS Special Topic Conferenceon Microtechnologies in Medicine and Biology.L yon:IEEE Computer Society,2000:.6BONN ET P,GEHR KE J,SESHADRI P.Querying thephysical worldJ.IEEE Personal 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