无线传感器网络节点介绍

1、基于系统集成技术的节点类型和特点 在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee1协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes 2，3, Sensoria WINS4, MIT µAMPs 5, Intel iMote 6, Intel XScale nodes 7, CSRIO研究室的CSRIO节点8、Tmote

2、 9、ShockFish公司的TinyNode10、耶鲁大学的XYZ节点11 、smart-its BTNodes12等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列13-14，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。 这些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，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，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和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影

3、响节点的功能、整体能耗和工作寿命。目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）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，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表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ATMega128LMSP430F1611ML67Q5002PXA270总线带宽（位）8163232时钟频率（MHz）7.3728460Up to 520工作电压3.33.33.3

4、2.5/3.3工作电流20mA600uA120mA-休眠电流25uA4.3uA20uA-内部FLASH128KB48KB+256B256KB-内部SRAM4KB10KB32KB-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、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，所采用的芯片包括Chipcon公司的CC1000，Nordic公司的nrf903，Semtech公司的XE1205。还有部分无线传感

5、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，RFWave公司的RFW102芯片组。还有部分节点采用了Bluetooth协议进行通信，具有Bluetooth协议的芯片组包括Ericsson公司生产的ROK 101 007等。上述这些射频芯片的性能比较以及代表性节点的性能比较见表2和表3。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CC1000nrf903XE1205CC2420RFW102ROK101007通信频率（MHz）3001000433/868/915433/868/915240024002

6、400调制方式FSKGFSKFSKO-QPSKASKGFSK编码方式NRZ/曼彻斯特直接同/异步NRZDSSSDSSSFHSS工作电压（V）2.752.73.32.43.92.13.62.43.635最大输出功率( dbm)101015074灵敏度（dbm）-110-104-110-94-77-40传输速度（kbps）76.876.8153.225010001000接收电流（mA）7.418.51419.77协议无无无802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBeeBluetooth 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Mica2ATMega12

7、8LCC1000512KB低功耗、电源监测、全球唯一地址Mica zATMega128LCC2420512KB低功耗TmoteMSP430F1611CC2420-USB接口、超低功耗，集成温湿度、光照度传感器CSIROATMega128Lnrf9034KBGFSK调制，误码率低TinyNode 584MSP430F1611XE1205512KB无线传输速率高，距离远Imote2PXA270CC242032MBUSB接口，处理功能强大，可以进行音视频处理XYZML67Q5002CC2420-处理功能强大BTNodesATMega103ROK101 00764KB低功耗，Bluetooth通信EA

8、SI210ATMega128LCC1000512KB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。采用MSP430单片机具有的超低功耗特点，如Tmote;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，如imote 2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，采用2.4GHz无线通信频率的节点包括使用了802.15.4/ZigB

9、ee通信协议以及Bluetooth通信协议，这两种方式将MAC层以下的通信协议固化在模块中，不需要进一步进行开发，步骤简化，更具兼容性，如Mica z、Tmote、Imote2及XYZ以及BTNodes节点，采用其它射频芯片的节点由于其通信频率比较低，因此在通信距离上较有优势，还可开发满足需要的MAC协议。尽管已经出现了以上诸多类型的节点，但这些节点基本上还都是实验系统，是支持研究和二次开发的平台，尚没有实现系列化和标准化的工业级设计，距离真正的实际应用需要，在技术成熟度上和功能上都尚有很大的差距，成本也比较高。支持系统异构性的节点目前为数不多，CrossBow公司生产SPB400 starg

10、ate网关节点使用了PXA255处理器，操作系统采用了Linux；而传感节点则采用mica系列，使用TinyOS操作系统。该网关节点具有强大的数据处理功能，并有多种接口，包括串行口、USB、以太网以及JTAG接口等，和mica节点插接使用实现射频通信。目前为了支持异构网络（包括网络中采用不同的或混合的无线通信方式）而需要的具有更强系统异构性的节点不多见，Intel Xcale是一个例子，在使用了PXA250 XScale处理器的网关上增加802.11通信方式，使得网关节点间具有较强的通信能力，网络中其他传感节点使用非802.11协议（如802.15.4/ZigBee）的方式进行无线通信，以支持

11、分层的异构网络应用。目前，对异构网络的研究大多数是针于异构网络通信协议以及算法，以及Mesh网络的体系结构等，尚缺乏足够多样化的实际节点系统平台作为支持。因此，支持系统异构性的、系列化的无线传感器网络节点正是当前急需启动的研究内容。基于集成片上系统技术的节点类型和特点集成片上系统是向下一代节点发展的必然趋势，它在物理设计上进行改进来减少节点的体积、成本和功耗，是从根本上解决低成本和高可靠性的技术手段。下一代节点的典型代表有U.C. Berkeley的Smart Dust15以及PicoRadio16，CSEM的WiseNET17，芬兰坦佩雷技术大学的Multi-Radio WSN Platfo

12、rm18等，它们均采用了SOC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。Sm

13、art 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，采用光通信方式。同时，它采用了MEMS技术，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。 PicoRadio研究组属于Berkeley的无线研究中心。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，它由处理器板、电源板、通信板和传

14、感器板四个板块叠加而成。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，应用层和高层次的网络协议用软件的方式通过CPU来实现，而低层次的网络协议以及蓝牙芯片的控制则通过硬件编程的方式用FPGA来实现。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。其研究还表明，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

15、片，则它的功耗和体积都可望大大下降。 WiseNET是瑞士CMES开发的一套无线传感器网络节点芯片，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、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。如果说前三种节点体现的是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。与往常的节点不同，Multi-Radio WSN Plat