WSN节点的设计

1 WSN 节点的设计 1.1 WSN 节点的功能 传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功 能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传 送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。 1.2 WSN 节点的组成结构 传感器AC/DC 处理器 存储器 网络MAC收发器 能 量 供 应 模 块 传感器模块 处理器模块 无线通信模块 (1) 传感单元：由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。 负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。 (2) 处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、输入输出接口及 嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作， 存储和处理传 感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。 (3) 通信单元：由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通 信，交换控制消息和收发采集数据。 (4) 能量供应单元：负责为传感器节点提供运行所需的能量。 1.3 设计原则 1、 低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长） 。设计中从硬件和软 件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件 上可以添置电源管理功能，合理分配能量。 2、 良好的射频性能：同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距 离也较大。 3、 节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。 4、 低成本：节点模块不能太多且不能太复杂。 5、 可扩展性：采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模 块，比如传感器模块可以做一个通用口。 1.4 现有无线传感器节点 表 1 无线传感器节点的参数比较 节点 处理器 射频 芯片 工 作 频 率 (mc u) Flas h KB RA M KB 工作 频段 （MH Z） 传输 速率 （kbp s） 调制 方式 公 司 MH z Mica Atmega1 28L TR1 000 7.37 28 128 4 916 115 OOK/ ASK ① Mica2 Atmega1 28L CC1 000 7.37 28 128 4 300-1 000 76.8 FSK ① Mica2dot Atmega1 28L CC1 000 7.37 28 128 4 300-1 000 76.8 FSK ① Mica3 Atmega1 28L CC1 020 7.37 28 128 4 402-9 04 153.6 GFSK ① Micaz Atmega1 28L CC2 420 7.37 28 128 4 2400 250 O-QP SK ① Meshbea n Atmega1 28L CC2 420 7.37 28 128 4 2400 250 O-QP SK ② Tmote sky MSP430 F1611 CC2 420 8 60 2 2400 250 O-QP SK ③ Toles MSP430 F149 CC2 420 8 48 10 2400 250 O-QP SK ③ Gainst-C C2430 CC2430(内嵌51 内核) 32 32- 128 8 2400 250 DSSS ④ 注释： ① Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点 ② MeshNetic公司 ③ Moteiv公司 ④ 中科院宁波所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点 同。 其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生 活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列 节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多 研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬 件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gainst-CC2430节点。 下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、 Gainst-CC2430节点做进一步比较： 1.4.1 现有无线传感器节点方案对比 1 、Atmega128L+CC2420 (成本：45+39=84元) ATmega128L 是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器， 工作速度可达8MIPS，工作电压是2．7 V到5．5 V。哈佛结构使程序和 数据分开存储访问，程序执行效率更高，内置128K字节的Flash程序存 储器，4 K字节EEPROM，4 K字节的内部SRAM。此外，ATmegal28L 还 有53个通用I／O 、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM 功 能的定时器／计数器、2个USART、1个面向字节的两线接口wTI、8通道 10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、1个SPI同步串行端 口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，以及六种可以通过软件 选择的省电模式。ATmega128L的最低工作电压是2．7 V，掉电模式的 电流消耗小于15 uA，采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消耗约 16 uA。 2 、 MSP430F149+CC2420（成本：40.5+39=79.5元） 是一片集成度高、 功能丰富、 功耗极低的16位单片机， 工作电压1． 8 V到3．6 V，具有个一个硬件乘法器，60 K字节Flash，2 K字节RAM， 基础时钟模块包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器；看门狗定时 器可用作通用定时器；带有3个捕捉／比较寄存器的16位定时器；带有7 个捕捉／比较寄存器的16位定时器；2个具有中断功能的8位并行端口； 4个8位并行端口； 模拟比较器； 1 2位A／D转换器； 2通道串行通信接口。 MSP430系列单片机最低工作电压为1．8 V，实时时钟待机电流的消耗 仅为1.1 u A， 运行模式电流300 uA(1 MHz)， 从休眠至正常工作整个唤醒 过程仅需6 us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1 uA～400 uA之 间，RA M 在节电模式耗电为0.1 uA ，等待模式下仅为0.7 uA。 3 、CC2430内嵌 80C51内核（成本：65 元） CC2430 完全满足 IEEE802.15.4 和 ZigBee 的应用,CC2430 特别适合于 低功耗系统的应用。 ◆ 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 ◆ 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。 ◆ 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 ◆ 强大的DMA功能。 ◆ 32/64/128KB的片上可编程flash。 ◆ 8KB的SRAM，在四种电源模式下有4KB的存储单元有数据保持能 力。 ◆ 很少的外设相连 ◆ 低能耗（RX:27mA TX :25 mA 微控制器工作在32MHz条件下） ◆ 在休眠模式时仅0.9 μ A 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统; 在待机模式时少于0.6 μ A 的流耗，外部的中断能唤醒系统。 ◆ 硬件支持CSMA/CA 功能。 ◆ 较宽的电压范围（2.0～3.6 V） 。 ◆ 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。 ◆ 具有电池监测和温度感测功能。 ◆ 一个通用的16位定时器，两个8位的定时器