摘要：無線傳感器網(wǎng)絡因其巨大的應用前景越來越受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系結構，分析比較了國內(nèi)外當前典型的硬件平臺，重點討論了目前無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點常用的處理器、射頻芯片、電源和傳感器各自的優(yōu)缺點，并詳細比較了目前應用于無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信技術。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡 硬件平臺 低功耗 無線通信

引言

無線傳感器網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節(jié)點構成的網(wǎng)絡，能夠實時地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領域有著廣闊的應用前景。

在傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點具有端節(jié)點和路由的功能： 一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行綜合，轉發(fā)路由到網(wǎng)關節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點往往個數(shù)有限，而且常常能量能夠得到補充；網(wǎng)關通常使用多種方式（如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡等）與外界通信。而傳感器節(jié)點數(shù)目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量；傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，那么該節(jié)點就不能進行數(shù)據(jù)采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡的健壯性和生命周期。因此，傳感器網(wǎng)絡主要研究的是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。具體應用不同，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計也不盡相同，但是其基本結構是一樣的。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般由處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元4部分組成，如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點典型組成
1、無線傳感器網(wǎng)絡典型節(jié)點

傳感器網(wǎng)絡節(jié)點作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構成了無線傳感器網(wǎng)絡的基礎層支撐平臺。因為無線傳感器網(wǎng)絡大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設計準則之一，從無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計到整個網(wǎng)絡各層的協(xié)議設計都把節(jié)能作為設計的目標之一，盡可能延長無線傳感器網(wǎng)絡的壽命。

由于具體的應用背景不同，目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件平臺。典型的節(jié)點包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。實際上各平臺最主要的區(qū)別是采用了不同的處理器、無線通信協(xié)議和與應用相關的不同的傳感器。常用的無線通信協(xié)議有802.11b、802.15.4（ZigBee）、Bluetooth、UWB和自定義協(xié)議；處理器從4位的微控制器到32位ARM內(nèi)核的高端處理器都有所應用。還有一類節(jié)點是用集成了無線模塊的單片機，典型的是WiseNet。典型無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點如表1所列。

本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的概念、特點以及無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成，重點分析比較節(jié)點各組成單元各種常用芯片的特點，并且始終將低功耗作為比較的重要標準之一。

2、典型無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點比較

目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，其實這些節(jié)點的組成部分是類似的，只是其應用背景不同，對節(jié)點性能的要求也不盡相同，因此所采用的硬件組件有很大差異。

2.1 處理器單元

處理器單元是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但處理能力也非常有限。Berkerly大學研制的Mica系列節(jié)點大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2節(jié)點采用Atmel增強型微控制器ATmega128L。該微控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM,擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無線芯片和傳感器的接入；有6種電源節(jié)能模式，方便低功耗設計。采用該處理器的另外一個優(yōu)點是： 編譯器很多，其中GCC（WINAVR）是完全免費、開放的軟件。由于以上優(yōu)點和Mica2節(jié)點的影響，在實際的無線傳感器設計中應用很多。但是從低功耗角度來講，該芯片并不是最佳選擇。

如表1所列，就低功耗而言，MSP430F1xx MCU系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為1.8 V，實時時鐘待機電流的消耗僅為 1.1 μA，而運行模式電流低至 300 μA （1 MHz），從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6 μs。PIC系列微控制器也有低功耗的產(chǎn)品問世。Toles節(jié)點和ZebraNet節(jié)點就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。在某些數(shù)據(jù)量大的應用中，高端的處理器也有應用。例如μAMPS1節(jié)點采用StrongARM處理器SA1110，功耗為27～976 mW。該處理器支持DVS節(jié)能，可以降低功耗450 mW左右；關掉無線模塊功耗可以降低300 mW。μAMPS2采用的處理器是DSP。XYZnode采用的處理器是OKI公司的ARMTDMI內(nèi)核的ML67Q5002，該處理器也支持DFS（動態(tài)頻率調(diào)節(jié)），工作電流為15～72 mA，頻率為1.8～57.6 MHz。
表1 典型無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點基本可以分為兩類： 一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點的能量消耗比采用微控制器大很多，多數(shù)支持DVS（動態(tài)電壓調(diào)節(jié)）或DFS（動態(tài)頻率調(diào)節(jié)）等節(jié)能策略，但是其處理能力也強很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務的應用；此外，采用高端處理器來作為網(wǎng)關節(jié)點也是不錯的選擇。表2中最后3款處理器是ARM內(nèi)核的處理器，功耗明顯比低端微控制器高很多。另一類是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點。該類節(jié)點的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。在選擇處理器時應該首先考慮系統(tǒng)對處理能力的需要，然后再考慮功耗問題。
表2 各種常見的微控制器性能比較

2.2 無線傳輸技術及芯片

可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等，常用的無線通信技術有： 802.11b、802.15.4（ZigBee）、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段，如表3所列。利用激光作為傳輸媒體，功耗比用電磁波低，更安全。缺點是： 只能直線傳輸；易受大氣狀況影響；傳輸具有方向性。這些缺點決定這不是一種理想的傳輸介質。紅外線的傳輸也具有方向性，距離短，不需要天線。芯片83F88S是一種符合IrDA標準的無線收發(fā)芯片。UWB具有發(fā)射信號功率譜密度低、系統(tǒng)復雜度低、對信道衰落不敏感、安全性好、數(shù)據(jù)傳輸率高、能提供數(shù)cm的定位精度等優(yōu)點；缺點是傳輸距離只有10 m左右，隔墻穿透力不好。802.11b因為功耗高而應用不多，Bluetooth工作在2.4 GHz頻段，傳輸速率可達10 Mbps；缺點是傳輸距離只有10 m左右，完整協(xié)議棧有250 KB，不適合使用低端處理器，多用于家庭個人無線局域網(wǎng)，在無線傳感器網(wǎng)絡中也有所應用。在無線傳感器網(wǎng)絡中應用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網(wǎng)絡中。目前市場上常見的支持ZigBee協(xié)議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導體公司，F(xiàn)igure8公司還專門開發(fā)了ZigBee協(xié)議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應用較多，Toles節(jié)點和XYZ節(jié)點都是采用該芯片；Chipcon公司提供包含F(xiàn)igure8公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議的完整開發(fā)套件。Freescale半導體公司提供ZigBee的2.4 GHz無線傳輸芯片有MC13191、MC13192、MC13193；該公司還提供配套的開發(fā)套件。