一种低功耗无线传感器网络节点的设计_图文

1、一种低功耗无线传感器网络节点的设计木冯勇平,张 E,罗嵘(清华大学电子工程系,北京100084摘要:设计了一种低功耗无线传感器网络节点,并完成了TinyOS操作系统在该节点中的移植。 该节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方面,与其他无线传感器网络节点平台相比功耗 低、通信距离远。此外,为新的MSP430系列处理器改进了TinyOS的设计工具链环境,使得软件编写 可以不局限于GCC编译器。将TinyOS操作系统移植到新节点上,实现了射频收发器CC2520的射频 协议栈。关键词:无线传感器网络;传感器节点;TinyOS中图分类号:Tit212.9文献标识码:A' 一 1 '

2、11Design oI-a low一130wer wireless seiisor network noaeFENGYong Ping,ZHANG Di,LUO Rong(Department of Electronic Engineering,Tsinghila University,Beijing 100084,ChinaAbstract:A novel lowpower wireless sensor network node is designed and TinyOS is transplanted in the node.Power con-sumption andperforma

3、nce are considered forhardware design of the sensor node.11Ie node has lower power consumption and fur-ther communication than other network node platform.By improving the design implement chain environment of Tiny(Y3for the new MSP430series processor。the software programming Call not be restricted

4、to GCC translatoreditor.Furthermore,the RF protocol stack of RF ttllnl￥ceiver CC2520is resalizoand TinyOS is transplanted to the node.Key words:wireless孵nr network;Sensor node;TinyOS无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network是由 部署在监测区域内大量的具有信息采集、数据处理和无 线通信能力的微小传感器节点通过无线电通信形成的 一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采 集和处理网络覆

5、盖区域里被监测对象的信息,并发送给 观测者I¨o无线传感器网络可被广泛应用于军事、环境保护、 医疗护理、智能家居、智能交通、智能建筑、工业控制和 监视I引、空间探测131等领域。目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的 硬件平台。典型的节点14J包括Mica系列、Telos、IRIS和 Imote2等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和 无线通信模块。有些节点具有高性能,但功耗较大, 如lmote2节点。不适用于能量受限的应用环境。其他一 些节点,如Telos、Mica等,由于设计时间较早,其性能已 经落后于当今的集成电路工业设计水平。因为无线传感基金顼耳:863项目支持(200

6、6AAOIZ224电子技术应用2009年第4期 器网络节点一般采用电池供电,工作环境通常比较恶 劣,而且数量大、更换非常困难,所以低功耗是无线传 感器网络最重要的设计准则之一Sl。本文节点的硬件 设计综合考虑了功耗和性能,实现了配备无线收发模 块、微控制器模块、电源模块和I/O扩展接口的无线传 感器网络节点。相比现有节点,该节点功耗更低、性能 更优。TinyOS是适用在无线传感器网络应用的嵌入式 实时操作系统,然而其无法很好地在新的硬件平台提 供对TinyOS的支持,这成为限制其应用的主要瓶颈之 一。本文改进了TinyOS的工具链环境,使得操作系统 移植和软件开发工作可以摆脱GCC的限制,进而

7、使得 TinyOS可以应用于更广泛的硬件环境。本文基于改进 的工具链环境,将TinyOS 2.1.O版本移植到新的节点 上,并且为节点所使用的CC2520无线收发芯片编写了 驱动程序(在TinyOS语言中,称之为射频协议栈Radio Stack。33 万 方数据嵌入式技术Embeddod Tee咖1硬件设计无线传感器网络节点是网络的基本单元,节点的稳 定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用 中,传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点,有的 只考虑低功耗而性能不高,有的性能高但是功耗太大。 本文所设计的节点配备了基本的无线收发模块、微控制 器模块、电源模块和110扩展接口。该节点的硬件

8、设计 综合考虑了功耗和性能等诸多方面,较之现在主流节点 (如telosB、mieaz等,本文设计的节点采用了功耗更低的 处理器芯片和性能更好的射频收发器芯片。处理器和无线收发模块是节点的两个关键模块,本 文所设计的节点选择了超低功耗处理器MSP430F2618和工作在ISM自由频段的射频芯片CC2520。处理器模 块是数据处理、进程调度的核心单元.一般由MCU和扩 展的存储器组成。根据WSN的低功耗要求,MCU芯片的 选择标准包括:工作模式、工作电流、工作电压、唤醒时 间等。无线通信模块是WSN组网以及WSN与信息世界 相连接的重要模块。一般由无线收发芯片和相应频率的 天线组成。由于WSN的无

9、线通信倾向于无线电通信,所 以选用工作在ISM自由频段的射频芯片。本文设计的 节点电路示意图如图l所示。图1节点电路示意图微处理器和CC2520之间通过SPI、CPIO、VREGEN 和RESETn信号进行连接。SPI提供一个接口,通过该接 口实现微处理器和CC2520之间的数据传递。CC2520有 6个GPIO可以根据需要和微处理器进行连接。CC2520的工作模式有激活模式和两种低功耗运行模式。微处理 器通过VREGEN信号控制CC2520工作于低功耗模 式。微处理器通过RESETn信号使CC2520在上电时复 位。微处理器和3个不同颜色的LED连接,通过灯的闪 烁和颜色变化显示节点的工作状

10、态。微处理器通过SPI 接口和控制信号外接EEPROM,用来存储日志数据或相 关数据。2工具链设计TinyOS是一个广泛应用于无线传感器网络节点中 的操作系统。TinyOS的官方源代码树是围绕C,CC构建 的。TinyOS及Ti.yOS应用程序用nesC语言写成。nesC预 编译器将nesC代码转换成目标平台上GCC风格的C代 码。GCC编译器工具链(如MSPGCC再将这些C代码编 34欢迎同上投稿 译成对应平台二进制映像。整个流程如图2所示。编译 系统用输入的源代码生成用以下载到平台中的可执行 文件或hex文件。图2GCC工具链GCC并不支持所有的处理器,如8051系列处理器。 由于GCC及

11、其衍生编译器(如MSPGCC由开源组织维 护,往往在更新速度上无法跟上处理器的发展。时至今 日,MSPGcC仍然不支持MSP430F26xx系列的处理器。由 于GcC的语法风格和ANSI C不完全一致,nesC预编译 器输出的C程序文件无法直接被大多数的编译器直接 使用,从而限制了TinyOS在不同平台尤其是基于新处 理器型号的平台上的应用。本论文所设计的节点使用的 处理器MSP430F2618就是GCC不支持的。因此,将 TinyOS移植到GCC不支持的平台上需要一些新的方 法。本文所用方法的具体流程如图3所示。图3IAR工具链在图3中,用MR工具链代替GCC工具链来生成目 标平台上的二进制

12、映像,这是MSP430处理器的官方推荐 编译器,支持所有MSP430系列处理器。为了保留TinyOS 并且为将来GCC支持本平台使用的处理器时移植方便, 对工具链的扩展集中在nesC预编译器之后和IAR编译一 链接器之前。这里的解决方案是加入一级预编译程序。将 GCC风格的C程序转换成LAR风格的C程序。因为在这 个过程中,涉及到大量的文本处理,所以预编译程序用 pert脚本语言写成。TinyOS使用GNU Make进行应用程序 的管理。由于IAR工具链也提供完善的命令行调用接口, 通过Linux平台上的Windows模拟器wine,可以很容易地 将nR工具链集成到TinyOS的GNU Mak

13、e体系中。电子技术应用2009年第4期 万 方数据嵌入式技箫3射频协议栈设计TinyOS并没有统一的设备驱动模型,这是源自其实 用主义的设计思想和性能驱动的应用环境。TinyOS为不 同类型的设备提供不同的设备驱动模型。在TinyOS 2.x版 本中,射频收发器的设备驱动模型称为射频协议栈。在telos 系列节点(包括telosa、telosb、moteiv等上使用的CC2420射频收发器驱动的顶层模块由CC2420ActiveMessage C 组件实现。TinyOS在此之上封装了与平台无关的AM Sender C和AMReceiver C两个泛型组件供上层应用程 序使用。为了保证与Tiny

14、OS的上层组件兼容,本文所设 计的CC2520射频芯片的协议栈和TinyOS固有的射频 协议栈保持一致,向上提供相同的接121。本文设计的射频协议栈有6层模块,如图4所示。 最底层是MSP430的引脚信号抽象,包括中断、GPIO和 SPI总线。这些最基本的抽象在射频协议栈中根据 CC2520的控制逻辑被进一步抽象为CC2520的专用抽 象组件。当CC2520接收到数据帧时,会通过中断的方式 通知处理器,处理器通过响应中断完成接收动作。SPI总 线对CC2520的FIFO进行读写并且发送控制字。GPlO 对CC2520进行复位和关闭。I 垒竺兰!:l l 垒竺竺!堕 I 匮巫巫固回圆圆 至亘互亘

15、回回 匝至五日匝巫匦固匝固 匝巫五团匝巫囹匝回图4射频协议栈在基本的数据传输组件之上.根据CC2520独有的 控制时序进行了数据帧发送接收和芯片参数控制的抽 象。在这一层抽象中,不涉及空闲信道检测和MAC层协 议,只实现CC2520的控制逻辑。在此之上,用下层提供 的接121实现了TinyOS的标准射频协议栈中冲突检测避 退的MAC算法。至此已经是一个完整的单跳的射频收 发器抽象了。但是在TinyOS中,有许多任务都要用到这 个资源。与底层的110使用仲裁器机制不同的是,这一 层的资源共享机制通过虚拟化手段实现。使用泛型组件 AMSender C和AMReceiver C将本文实现的射频芯片抽

16、 象封装成虚拟化资源。不同的客户程序在进行收发时只 需使用这些虚拟化资源即可完成收发动作。本文中论述 的射频协议栈在这一层完全兼容了TinyOS现有的射频协议栈抽象接口。节点测试的软硬件环境如图5所示。TelosB节点用来测试本文设计的节点及射频协议栈。待测节点和TelB节点分别下载测试相关程序。节点通过USB集线PC测试软件环境l对比结果 对比程序 JAVA Comm MySQLI USB Hubl待测节点 TelosB 图5节点测试的软硬件环境 器连接到PC上。用JAVA程序接收并解析节点通过 USB端口传来的数据.并且存储在MySQL数据库中。对 比程序读取数据库中的数据。并且对对比结果

17、进行比 较。经过测试证明,本文设计的节点和射频协议栈能够 正确地完成通信的功能。4性能比较本文所设计的节点和其他典型的节点性能比较如 表l所示。因为无线传感器网络节点一般采取电池供电,工作 环境通常比较恶劣,而且数量大、更换非常困难,所以低 功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。低功耗 首先要看电流消耗。比较了三种工作模式下的电流消耗:睡眠模式、处理器激活而无线收发器关闭模式和无线收 发模式。睡眠模式下,Imote2节点功耗最高达到1.3mW, 而本文设计的节点只有5trW。在处理器活动而无线收发 器关闭模式下,Imote2节点的功耗最高达到102.3mW, 而本文设计的节点电流消耗最低,

18、只有1.2mW。在RX模 式下,Imote2节点的功耗也是最高的,达到了145.2mW。 本文设计的节点功耗最低,是62.4mW。在,D(模式下.本 文设计的节点最大输出功率可达到5dBm,室外无障碍传表1节点功耗和性能比较节点 驴R2400XM2l lOCA MPR24I0CA I甲R2420CA 本文节点 标准(Imote2 (IRIS (MICAz (TelosBFlash存储器 32MB 128kB 128kB 48kB 116kB RAM存储器 32MB 8kB 4kB 10kB 8kB 射频带宽(ISM/MHz 2卸Io一2483.5240524802枷一2483.52400一24

19、83.5239425cr7数据传输率/(kb/s 250250250250250通信距离(室外/m 30>30075一loo 75一100400功耗(激活模式/raw 102.326.426.45.941.2功耗(睡眠模式 I.3mW 29.7wW <52.8恤W 20.I v.W 5“W 功耗(R,X,mW 145.279.291.481.862.4最大输出功率(TXIdBm O 30O 5电子技术应用2009年第4期 (下转第40页 35 万 方数据参数,并通过PID控制律设计无人机姿态控制回路的方 法,节省了人力、物力,为后续进行较大型无人机飞行控 制系统的设计提供了经验。参

20、考文献【l】APS0控制系统技术手册EB/OL.Rev 030505,2003. 【2】嵌人式软件网.USOS II嵌入式操作系统使用手册【EB/ OL.hnp:/www.mcu-,2006.【3】郑玉全.微型抢占式实时操作系统的设计与实现.单片机 与嵌入式系统,2004(1:2731. 【4】SIUCON LABORAl'0RIES.C8051F120混合信号ISPFLASH.微控制器数据手册EB/OL】,Rev.1.1,2003,12. 【5】郑玉全,陈杰,沈为群,等.基于RTOS的涡喷发动机数字 控制系统【J】.电子技术应用,2005,31(06:34-37.【6】李玮.无人机飞

21、行PID控制及智能PID控制技术研究.南 京理工大学硕士毕业论文。2004(3:2952.【7】陈杰。蒋玉峰.基于RTOS的飞行数据采集记录统.电子 技术应用,20cr7。33(10:2l一25。(收稿日期:2008一11-30(上接第35页输距离可达到400m。因此从功耗和各方面性能比较,本文 所设计的节点优于其他节点。本文设计了一种新的无线传感器网络节点,该节点 配备了基本的无线收发模块、微控制器模块和电源模 块。该节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方 面,与工作在ISM自由频段2.4GHz的一些典型节点进 行了比较。本文为新节点引进的射频芯片CC2520开发 了驱动。通过改进Tin

22、y OS的工具链环境,将Tiny OS操作 系统移植到了GCC编译器不支持的新节点上。TinyOS 在新节点的移植成功,拓宽了TinyOS操作系统在不同 硬件平台上的应用。参考文献fl】AKYILDIZ l F。SU W.SANKARAsUBRAMANIAM Y,et a1.A survey on flensor networksJ1.IEEE CommunicationMagazine。2002,40(8:102一114.【2】COLElu S,CHEUNG S Y,VA队IYA P.Sensor networks for monitoring trK伍c.In Proceeding ofF

23、o晰Second Annual Allerton Conference on Communication,Control andComputing,U.of Illinois。2004.【3】Sensor Webs,hap:,靶n80r鹏bs,/,2008.【4】姜连祥,汪小燕.无线传感器网络硬件设计综述.单片机 与嵌入式系统应用,2006(11:13一15.【5】王漫.以传感器为视点的无线传感器网络节点设计趋势 综述.计算机应用与软件,2007,24(10【6】Wireless sensor netwoAs product reference guide.hnp:11

24、 WWW.xbow.corn/.200r7.(收稿日期:200810-10行业聚焦 2。09年中国半导体亲场年会在沪焘功召开作为一年一度中国半导体领域的重要市场活动,“2009中国半导体市场年会“秉承前5届的成功经验.于2009年2月25日一26日在上海举行。本次年会是由中国半导体行业协会(CSIA、中国电子信息产业发展研究院(赛迪集 团与上海市集成电路行业协会(SICA共同主办,由赛迪顾问股份有限公司、上海张江高科技园区承办。以。聚焦市 场变幻、把脉发展危一机一为主题.围绕“宏观经济变化与半导体市场波动”、。半导体产业走势与企业发展策 略”、。半导体创新应用与新兴市场商机”以及“市场分销渠道

25、与硅产业投资机会”等主要议题进行了深入探讨。 2008年是全球经济大势风云变幻、跌宕起伏的一年。经济氛围的变化对半导体产业的影响日益显著:全球金融 环境动荡起伏、原材料价格不断上涨、人民币汇率持续走高、税制改革陆续展开,诸多影响因素纷至沓来。半导 体企业正.面临前所未有的挑战。中国集成电路市场也告别多年的高速增长开始步入调整期。2008年中国集成电路 市场实现销售额5973.3亿元,同比增长仅6.2%,市场发展连续第5年下降.而且首次出现一位数增长。在专业研 究与精准分析的基础上,赛迪顾问在此次年会上发布了30种“中国半导体市场和产业研究年度报告”,并与会议代 表共同分享了手机芯片和功率器件等

26、热点产品的研究成果。为期两天的会议中,来自国内外半导体产业界的600多位代表,共同热烈研讨了全球及中国半导体市场的热点 与发展趋势,一致认为面对经济氛围与市场环境的双重压力,面对企业进步与行业发展的两重要求,如何在新兴市 场中寻找带动企业进步的商业机会,如何于政策环境中营造有利于产业发展的鼓励氛围,都是摆在众多半导体企 业以及相关政府部门面前的至关重要的问题。虽然2008年集成电路行业处于调整期.但是业内厂商的表现仍然不乏亮点。本次大会根据业内厂商在不同产 品领域的表现评选出了诸多产品领域市场的年度成功企业,最终,亚德诺半导体、珠海炬力、RFMD、MTK、欧比特、 天津中环、瑞萨科技与上海华虹分别荣获电源管理芯片、PMP芯片、无线芯片、手机芯片、SeC、MCU与智能卡芯片市 场年度成功企业称号。 (赛迪顾问半导体产业研究中心供稿40欢迎同上投稿 电子技术应用2009年第4期 万 方数据 一种低功耗无线传感器网络节点的设计作者:冯勇平 , 张E , 罗嵘 , FENG Yong Ping, 张E , LUO Rong作者单位:清华大学,电子工程系,北京,100084刊名:电子技术应用 英文刊名:APPLICATION OF ELECTRO