无线传感器网络节点介绍

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纳分立元器件的系统

集成技术。已消失的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相像性，主要

区分在于采纳了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采纳了不

同的射频芯片或通信合同,比如采纳自定义合同、802.11合同、ZigBce[l]合同、

蓝牙合同以及UWB通信方式等。典型的节点包括BerkeleyMotes[2,3],

SensoriaWINS[4],MITMMPs[5],InteliMote[6],IntelXScalenodes[7],

CSR10讨论室的CSR1O节点[8]、Tmote[9]、ShockFish公司的TinyNode[10].

耶鲁高校的XYZ节点、smart-itsBTNodes[12]等。国内也消失诸多讨论开

发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13T4],中科院软件所、清华高校、

中科大、哈工大、大连海事高校等单位也都已经开发出了节点平台支持网络讨论

和应用开发。

这些由不同公司以及讨论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，扩展接口些元、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。处理器打算了节点的数据处理力

量和运行速度等，射频通信模块打算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ATMcgal28L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）则采纳了功能强大的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lo

表1、无线传感器网络节点中采纳的处理器性能比较

性能参数,处理器ATMegal28LMSP430F1611ML67Q5002PXA270

总线带宽（位）8163232

时钟频率（MHz）7.3728460Upto520

工作电压3.33.33.32.5/33

工作电流20mA600uA120mA-

休眠电流25uAd.3uA20uA-

内部FLASHI28KB48KB+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波段的一般射

频通信、具有802.15.4合同和蓝牙通信合同的射频通信。使用一般ISM频段的

无线传感器网络节点依据在不同的我国和地区对于ISM波段频率的定义不同，一

般将通信频率设置为433MHz或者868/915'lHz。在硬件的设计中.所采纳的芯片

包括Chipcon公司的CC1000,Nordic公司的nrf903,SemtechZigBee合同的通

信芯片，具有这样合同的芯片包括Chipeon公司的CC2420,RI'Wave公司的RFW102

芯片组。还有部分节点采纳了Bluetooth合同进行通信，具有Bluetooth合同的

芯片组包括Ericsson公司生产的R0K101007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3o

表2、无线传感器网络节点中采纳的射频模块综合比较

性能参数'射频模块CCIOOOnrf903XEI2O5CC2420RFW102ROK101007

通信频率(MHz)300-1(X10433/868/91433/868/91240024002400

55

调制方式FSKGFSKFSKO-QPSKASKGFSK

编码方式NRZ/曼彻直接1可/异NRZDSSSDSSSFHSS

斯特步

工作电压(V)2.7-52.7~3.32.4~3.92.I-3.62.4~3.63~5

最大输出功率1()1015074

(dbm)

灵敏度(dhm)-110-104-110-94-77-40

传输速度(kbps)76.876.8153.2250100()1000

接收电流(mA)7.418.51419.77

合同无无无ZigBeeZigBeeBluetooth

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

Mica2ATMegal28LCCiOOO512KB低功耗、电源监测、全球唯

一地址

MicazATMegal28LCC2420512KB低功耗

TmoteMSP43CF1611CC2420-USB接口、超低功耗，集

成温湿度、光照度传感器

CSIROATMegal28Lnrf9O34KBGFSK调制，误码率低

TinyNode584MSP430FI611XE1205512KB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

BTNodesATMegalO3ROK10100764KB低功耗，Bluetooth通信

EASI210ATMvgal28LCCIOOO512KB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依据所选用的核心处

理器与射频通信芯片以及扩展功能的不同，分另［具有不同的特点。采纳MSP430

单片机具有的超低功耗特点，如Tmote；采纳了超强处理器的节点更加擅特长理大

数据量，适用于高速通信、环境简单、需要强大教据处理力量的场合，如imc，te2

及XYZ节点；使用ATMegal28L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，采纳2.4GHz无线

通信频率的节点包括使用了ZigBcc通信合同以及Bluetooth通信合同，这两种方

式将MAC层以下的通信合同固化在模块中，不需要进一步进行开发，步骤简化，

更具兼容性，如Micaz、Tmote.Imote2及XYZ以及BTNodes节点,采纳其它射频

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合同。

尽管已经消失了以上诸多类型的节点，但这些节点基本上还都是试验系统，

是支持讨论和二次开发的平台，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SPB400stargate

网关节点使用了PXA255处理器，操作系统采纳了Linux；而传感节点则采纳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(包括网络中采纳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，IntelXcale是一个例子，在使用了

PXA250XScaleZigBee)的方式进行无线通信，以支持分层的异构网络应用。目

前，对异构网络的讨论大多数是针于异构网络通信合同以及算法，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讨论内容。

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进展的必定趋势，它在物理设计上进行改进来

削减节点的体积、成本和功耗，是从根本上解决低成本和高牢靠性的技术手段。

下一代节点的典型代表有U.C.Berkeley的SmartDust[15]以及

PicoRadio[16],CSEM的WiseNET[17],芬兰坦佩雷技术高校的Multi-RadioWSN

Platform[18]等，它们均采纳了SOC技术，在一个芯片上集成了CPU、自定义规

律模块、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规律模块，此类平台的开发敏捷性有

了很大的提高，在FPGA验证完成的状况下，配上先进的工艺来设计ASIC芯片，

可以大幅度的削减节点的功耗、体积和成本并且提高牢靠性。不过此类节点的开

发比较简单，目前多为各个试验室自行开发各自的平台。不过随着SOC技术的进

展和IP(IntellectualProperty)模块的普及，此类节点的开发会越来越简洁。

SmartDust是1999年U.C.Berkeley在美国国防部托付下开发出的一套无

线传感器网络节点，采纳光通信方式。同时，它采纳了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。SmartDust采纳了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，胜利地达到了减小体积，降低功耗的目的。

PicoRadio讨论组属于Berkeley的无线讨论中心。为了研发采纳SOC技术

的无线传感器网络节点PicoNode,2002年它们设计了PicoRadioTestBed这一

研发平台，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。其中

处理器板采纳了ARM1100的CPU和XilinxXC4020XLA的FPGA作为处理器，通

信板采纳蓝牙作为通信方式。在开发中，应用层和高层次的网络合同用软件的方

式通过CPU来实现，而低层次的网络合同以及蓝牙芯片的掌握则通过硬件编程的

方式用FPGA来实现。由于PicoRadioTestBed只是一个测试平台，还没有实现

真正意义上的SoC,因此PicoRadioTestBed体积和功耗还难以让人满足。其

讨论还表明，在运行同样MAC合同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PicoRadioTestBed转化为ASIC芯片，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采纳

S0C技术，特地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

合同、采纳Cool-RISC结构的微掌握器、