无线传感器网络WSN硬件设计

皇甫莹丽 刘 军 郭 璇

（武警工程学院通信工程系，陕西 西安 710086）

1 无线传感器网络简介

无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和模块单元4部分组成，如图1所示。

2 典型无线传感器网络节点比较

目前，国内外研究员已经开发出多种无线传感器网络节点，其实这些节点的组成部分是类似的，只是其应用背景不同，对节点性能的要求也不尽相同，因此所采用的硬件组件有很大差异。

2.1 处理器单元

处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但处理能力也非常有限。Berkerly大学研制的Mica系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2节点采用Atmel增强型微控制器 AT－mega128L。该微控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM,拥有 UART、SPI、I2C、JTAG 接口，方便无线芯片和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。采用该处理器的另外一个优点是：编译器很多，其中GCC（WINAVR）是完全免费、开放的软件。

就低功耗而言，MSP430F1xx MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1.8 V，实时时钟待机电流的消耗仅为 1.1 μA，而运行模式电流低至 300 μA(1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 μs。在某些数据量大的应用中，高端的处理器也有应用。例如μAMPS1节点采用StrongARM处理器SA1110，功耗为27～976 mW。该处理器支持DVS节能，可以降低功耗450 mW左右；关掉无线模块功耗可以降低300 mW。μAMPS2采用的处理器是DSP。XYZnode采用的处理器是OKI公司的ARMTDMI内核的ML67Q5002，该处理器也支持DFS（动态频率调节），工作电流为15～72 mA，频率为 1.8～57.6 MHz。

从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，多数支持DVS（动态电压调节）或DFS（动态频率调节）等节能策略，但是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用；此外，采用高端处理器来作为网关节点也是不错的选择。Atmel、Intel、Samsung这 3 款处理器是ARM内核的处理器，功耗明显比低端微控制器高很多。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功率也很小。在选择处理器时应该首先考虑系统对处理能力的需要，然后再考虑功耗问题。

2.2 无线传输技术及芯片

可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，常用的无线通信技术有：802.11b、802.15.4 (ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段。利用激光作为传输媒体，功耗比用电磁波低，更安全。缺点是：只能直线传输；易受大气状况影响；传输具有方向性。这些缺点决定这不是一种理想的传输介质。红外线的传输也具有方向性，距离短，不需要天线。芯片 83F88S是一种符合IrDA标准的无线收发芯片。UWB具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数cm的定位精度等优点；缺点是传输距离只有10 m左右，隔墙穿透力不好。在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。 ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。

2.3 电源模块

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电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要，DCDC模块的效率也至关重要；另外，还可以利用自然界的能源来补充电池的能量。按照能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高，如果没有能量补给来源，则应选择不可充电电池。常见电池的性能参数如下表所列。无线传感器网络节点一般工作在户外，可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。由于可充电电池的次数是有限的，而且大多数可充电电池有记忆效应，因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电，否则会大大缩短电池的使用寿命。

2.4 传感器模块

传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量。传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器（几百μA），可由处理器I/O口直接驱动；当不用该传感器时，将I/O口设置为输入方式。这样外部传感器没有能量输入，也就没有能量消耗，例如温度传感器DS18B20可以采用这种方式。对于大电流工作的传感器模块，I/O口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管（如Irlm16402）来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制，MAX4678就是这样一款芯片。

3 结论

由于应用背景不同，目前国内外存在很多硬件平台，采用的无线通信技术也有很多种。本文主要总结了目前常见的无线传感器网络硬件平台，分析比较了常用的处理器、无线芯片、无线通信技术、传感器和电源，并始终把功耗作为考虑的重要比较因素之一。通过对无线传感器网络硬件平台的详细分析，期望能对我国的无线传感器网络的研究和发展起到积极作用。

[1]石晓军.无线传感器网络节点硬件平台综述[J].军事通信技术，2007-07-25.