无线传感器网络原理及应用第8章-硬件平台设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,第8章 硬件平台设计,第8章 硬件平台设计,8.1 无线传感器网络的硬件开发概述,8.2 节点的硬件设计,8.3 传感器节点设计实例,8.4 小结,8.1 无线传感器网络的硬件开发概述,传感器网络具有很强的应用相关性，在不同的应用要求下需要配套不同的网络模型、软件系统和硬件平台。可以说传感器网络是在特定应用背景下，以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合，而传感器节点是为传感器网络特别设计的微型计算机系统。,传感器节点是无线传感器网络的基本构成单位，由其组成的硬件平台和具体的应用要求密切相关，因此节点的设计将直接影响到整个无线传感器网络的性能。无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点(sink node)、处理中心、外部网络。大量传感器节点随机部署在感知区域(Sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点将采集的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集的数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心进行集中处理。,传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，构成无线传感器网络的基础层支持平台，从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，它连接无线传感器与互联网等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络。,在软件方面，要求所有模块的软件模块都应该尽量精简，没有冗余代码。对不同的应用系统需要配套不同的软件代码。从操作系统到各种硬件设备的驱动模块，乃至到应用程序模块都需要仔细设计。这些限制都是由有限的硬件资源决定的。,2低成本和低功耗,低成本是对传感器节点的基本要求。只有低成本，才能将传感器节点大量地布置在目标区域中，表现出传感器网络的各种优点。低成本对传感器各个部件都提出了苛刻的要求。首先，供电模块不能使用复杂而且昂贵的方案；其次，能源有限的限制又要求所有的器件都必须是低功耗的；最后，传感器不能使用精度太高、线性很好的部件，这样会造成传感器模块成本过高。,无线传感器网络对低功耗的要求一般都远远高于目前已有的蓝牙、WLAN的无线网络。传感器节点的硬件设计直接决定了节点的能耗水平，还决定了各种软件通过优化(如网络各层通信协议的优化设计、功率管理策略的设计)可能达到的最低能耗水平。通过合理地设计硬件系统，可以有效地降低节点能耗。,4稳定性和安全性,传感器节点的稳定性和安全性需要结合软硬件设计来实现。稳定性设计要求节点的各个部件能够在给定的应用背景下(可能具有较强的干扰或不良的温、湿度条件)正常工作，避免由于外界干扰产生过多的错误数据。但是过于苛刻的硬件要求又会导致节点成本的提高，应在分析具体应用需求的条件下进行权衡处理。此外，关于节点的电磁兼容设计也十分重要。安全性设计主要包括代码安全和通信安全两个方面。在代码安全方面，某些应用场合可能希望保证节点的运行代码不被第三方了解。很多微处理器的存储器芯片都具有代码保护的能力。,8.1.2 硬件系统的设计内容,无线传感器节点的基本硬件功能模块组成如图8-1所示，主要由数据处理模块、数据采集模块、无线通信模块、电源模块和其他外围电路组成。数据处理模块是节点的核心模块，用于完成数据处理、数据存储、通信协议的执行和节点调度管理等工作；数据采集模块包括各种传感器和A/D转换器，用于感知数据和执行各种控制动作；无线通信模块用于完成无线通信任务；电源模块是所有电子系统的基础，电源模块的设计直接关系到节点的寿命；其他外围模块包括看门狗电路、电池电量检测模块等，也是传感器节点不可缺少的组成部分。,8.2 节点的硬件设计,8.2.1 处理器模块,处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议的执行、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成，所以处理器的选择在传感器节点设计中是至关重要的。作为硬件平台的中心模块，除了应具备一般单片机的基本性能外还应该具有适合整个网络需要的特点：(1)尽可能高的集成度。受外形尺寸限制，模块必须能够集成更多的节点的关键部位。,目前使用较多的有ATMEL公司的AVR系列单片机，Berkerly大学研制的Mica系列节点大多采用ATMEL公司的微控制器。TI公司的MSP430超低功耗系列处理器，不仅功能完整、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引脚兼容的处理器，使开发者很容易根据应用对象平滑升级系统。在新一代无线传感器节点Tolos中使用的就是这种处理器，Motorala公司和Renesas公司也有类似的产品。,ARM处理器也可能成为下一代传感器节点设计中的考虑对象。ARM系列处理器性能跨度比较大，低端处理器价格便宜，可以替代单片机的应用，高端处理器可以达到Pentium处理器和其他专业多媒体处理器的水平，甚至可在很多并行系统中实现阵列处理。ARM处理器功耗低、处理速度快、集成度也相当高，而且地址空间非常大，可以扩展为大容量的存储器，但若在普通传感器节点中使用，其价格、功耗以及外围电路的复杂度还不十分理想。随着技术的进步，ARM处理器将在这些方面有更加出色的表现。另外，对于需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的传感器网络汇聚节点(也称为基站节点)，ARM处理器是一个非常理想的选择。,表8-1 几种常见的微控制器性能比较,8.2.2 传感器模块,传感器在现实中的应用非常广泛，渗透在工业、医疗、军事和航天等各个领域，所以有些机构把传感器网络称为未来三大高科技产业之一。传感器网络研究的近期意义不是创造出多少新的应用，而是通过网络技术为现有的传感器应用提供新的解决办法。网络化的传感器模块相对于传统传感器的应用有如下的特点。传感器模块是硬件平台中真正与外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分。探头采集外部的温度、光照和磁场等需要传感的信息，将其送入变送系统，后者将上述物理量转化为系统可以识别的原始电信号，并且通过积分电路、放大电路整形处理，最后经过A/D转换器转换成数字信号送入处理器模块。,对于不同的探测物理量，传感器模块将采用不同的信号处理方式。因此，对于温度、湿度、光照、声音等不同的信号量，需要设计相应的检测与传感器电路，同时，需要预留相应的扩展接口，以便于扩展更多的物理信号量。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。美国的Crossbow公司基于Mica节点开发了一系列传感器板，采用的传感器有光敏电阻Clairex CL94L、温敏电阻ERTJ1VR103J(松下电子公司)、加速度传感器ADI ADXL202、磁传感器Honeywell HMC1002等。,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(几百微安)，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就可以采用这种方式。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)来控制后级电路的能量输入。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。,8.2.3 通信模块,无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用的传输媒体包括无线电、红外线和光波等，它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点的设计重点。本节主要讨论无线通信模块所采用的传输方式、选择的频段、调制方式及目前相关的协议标准。,在机制选择方面，传统的无线通信系统需要考虑的重要指标包括：频谱效率、误码率、环境适应性以及实现的难度和成本。在无线传感器网络中，由于节点能量受限，需要设计以节能和低成本为主要指标的调制机制。为了实现最小化符号率和最大化数据传输率的指标，研究人员将M-ary调制机制应用于传感器网络，然而，简单的多相位M-ary信号会降低检测的敏感度，而为了恢复连接则需要增加发射功率，因此导致额外的能量浪费。为了避免该问题，准正交的差分编码位置调制方案采用四位二进制符号，每个符号被扩展为32位伪噪声码片序列，构成半正弦脉冲波形的交错正交相移键控(OQPSK)调制机制，仿真实验表明该方案的节能性能较,好。M-ary调制机制通过单个符号发送多位数据的方法虽然减少了发射时间，降低了发射功耗但是所采用的电路很复杂，无线收发器的功耗也比较大。如果以无线收发器的启动时间为主要条件，则Binary调制机制在启动时间较长的系统中更加节能有效，而M-ary调制机制适用于启动时间较短的系统。在参考文献给出了一种基于直接序列扩频码分多址访问(DS-CDMA)的数据编码与调制方法，该方法通过使用最小能量编码算法降低多路访问冲突，减少能量消耗。,另外，U.C.Berkeley研发的PicoRadio项目采用了无线电唤醒装置。该装置支持休眠模式，在满占空比情况下消耗的功率也小于1 W。DARPA资助的WINS项目研究了如何采用CMOS电路技术实现硬件的低成本制作。AIT研发的uAMPS项目在设计物理层时考虑了无线收发器启动能量方面的问题。启动能量指无线收发器在休眠模式和工作模式之间转换时消耗的能量。研究表明，启动能量可能大于工作时消耗的能量。这是因为发送时间可能很短，而无线收发器由于受制于具体的物理层的实现，其启动时间却可能相对较长。,3光波传输,与无线电传输相比，光波传输不需要复杂的调制、解调机制，接收器的电路简单，单位数据传输功耗较小。在Berkeley大学的SmartDust项目中，研究人员开发了基于光波传输，具有传感、计算能力的自治系统，提出了两种光波传输机制即使用三面直角反光镜(CCR)的被动传输方式和使用激光二极管、易控镜的主动传输方式。对于前者，传感器节点不需要安装光源，通过配置CCR来完成通信；对于后者，传感器节点使用激光二极管和主控激光通信系统发送数据。光波与红外线相似，通信双方不能被非透明物体阻挡，只能进行视距传输，应用场合受限。,4传感器网络无线通信模块协议标准,在协议标准方面，目前传感器网络的无线通信模块设计有两个可用标准：IEEE802.15.4和IEEE802.15.3a。IEEE802.15.3a标准的提交者把超宽带(UWB)作为一个可行的高速率WPAN的物理层选择方案，传感网络正是其潜在的应用对象之一。,电池供电是目前最常见的传感器节点供电方式。原电池(如AAA电池)以其成本低廉、能量密度高、标准化程度高、易于购买等特点而备受青睐。虽然使用可充电的蓄电池似乎比使用原电池好，但与原电池相比蓄电池也有很多缺点，如它的能量密度有限。蓄电池的重量能量密度和体积能量密度远低于原电池，这就意味着要达到同样的容量要求，蓄电池的尺寸和重量都要大一些。此外与原电池相比，蓄电池的维护成本也不可忽略。尽管有这些缺点，蓄电池仍然有很多可取之处。蓄电池的内阻通常比原电池要低，这在要求峰值电流较高的应用中是很有好处的。,在某些情况下，传感器节点可以直接从外界的环境中获取足够的能量，包括通过光电效应、机械振动等不同方式获取能量。如果设计合理，采用能量收集技术的节点尺寸可以做得很小，因为它们不需要随身携带电池。最常见的能量收集技术包括太阳能、风能、热能、电磁能、机械能的收集等。比如，利用袖珍化的压电发生器收集机械能，利用光敏器件收集太阳能，利用微型热电发电机收集热能等。另外，Bond等人还研究了采用微生物电池作为电源的方法，这种方法安全、环保，而且可以无限期的使用。,节点所需的电压通常不只一种，这是因为模拟电路与数字电路所要求的最优供电电压不同，非易失性存储器和压电发生器及其他的用户界面需要使用较高的电源电压。任何电压转换电路都会有固定开销(消耗在转换电路本身而不是在负载上)，对于占空比非常低的传感器节点而言，这种开销占总功率的比例可能是非常大的。,8.2.5 外围模块,前面介绍的是无线传感器节点设计中最重要的部分。除此之外，要形成一个完整的无线传感器节点并达到对扩展性、灵活性、高效性的要求，还需要一些外部支持系统，主要包括能源、外部存储器、模-数转换、外部接口。,对于低速率通信、低功耗运行、低频率使用的传感器节点来说，很多传输数据，包括自身采集的数据、从邻居节点获取的转发数据以及在一段时间内需要保存的各种路由信息，都需要一个可靠的地方存储。所以一般传感器节点还会配上一些外部存储器。为了避免这些信息受系统偶然因素的影响，一般选择非易失性存储器作为存储媒质。目前Flash是一种可以低电压(3 V)操作、多次写、无限次读的非易失性存储介质。配合有效的顺序读写机制，Flash可以高效地在传感器节点中使用。现在低容量Flash存储器的价格不高，接口和控制电路都非常简单，品种也非常多。,另外考虑到节点的可扩展性和灵活性，在设计时需要保留一些标准接口，通常在开发时需要有ISP编程接口或JTAG编程接口，各种调试接口如串口(UART Port)、USB接口等，以及一些标准模块之间的通信接口。这样，不同模块之间的升级和更换就比较方便独立了。,8.3 传感器节点设计实例,8.3.1 传感器节点系列简介,目前，实用化的传感器节点不多，其开发原型往往都是美国国家支持项目的附属产品，国内出现的很多传感器节点也是模仿国外的Mote节点开发的。下面简要介绍国外在传感器网络研究中开发出来的部分传感器节点原型。,1Smart Dust,Smart Dust是美国DARPA/MTOMEMS支持的研究项目，其目的是结合MEMS技术和集成电路技术，研制体积不超过1 mm3、使用太阳能电池、具有光通信能力的自治传感器节点。由于体积小、重量轻，该节点可以附着在其他物体上，甚至可以在空气中浮动。图8-2给出了Smart Dust的系统结构。,图8-2 Smart Dust的系统结构图,Smart Dust节点的主要特点如下：(1)采用MEMS技术，体积微小，整个传感器节点可以控制在1 mm3左右。(2)使用太阳能作为其工作能量的来源，具有长期工作的潜力。(3)采用光通信方式。一方面功耗比无线电小(如果采用被动光反射技术，则耗能更小)；另一方面不需要长长的天线，在体积上也可以做得非常小。另外，通信信道空分复用，所以基站可以同时与多个节点通信。(4)光通信方式降低了节点功耗，但是其传输的方向性、无视距阻碍的要求给节点的布署带来很大的挑战。,Smart Dust有被动和主动两种通信模式。被动模式中节点本身不发光，而是通过反射来自基站收发器(Base Station Transceiver，BTS)的光完成信息传递的。这简化了节点的复杂度，而且降低了节点功耗。由于不能主动发送消息，只能等待主站查询，所以被动模式的响应速度比较慢。主动模式在节点上增加激光、校准透镜和光束调节微镜等装置，在有数据需要发送的时候可以主动向周围的节点或者主站发送，这种方式增加了节点功耗，但减少了响应延迟。被动模式的传感器节点依赖基站完成通信，只能构建节点直接与基站通信的集中式网络；主动模式在解决多方向激光发射方面也有困难。这些技术上的难点在一定程度上限制了Smart Dust的应用。,2Mica系列节点,Mica系列节点是加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。在这个演示平台中，软件和硬件是并行发展的，由于该平台的软硬件设计都是公开的，所以成为研究传感器网络最主要的试验平台。Mica系列节点主要包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2Dot和Spec。其中Mica2已由Crossbow公司包装生产。图8-3所示的是Mica系列节点实物图。,(a)Spec节点 (b)Mica2节点,图8-3 Mica系列节点实物图,Mica系列节点使用的处理器均为Atmel公司的产品，而且随着Atmel公司产品的不断升级，后续节点使用的处理器能够提供更多的系统资源，片上SRAM、外部Flash也得到了扩展。Mica系列节点使用的无线模块在发展过程中改变过一次，在Wec、Renee、Mica中采用TR1000芯片，而在其他两款节点中采用了Chipcon公司的CC1000芯片。从传输性能上讲，TR1000芯片与CC1000芯片各有所长，CC1000芯片本身支持多信道跳频，扩展了无线传感器节点的通信功能，为应用系统的设计提供了新的处理手段。,Mica2Dot是Mica2的一个微缩版，它简化了Mica2的外部电路(LED灯由3个减少至1个，外部接口由51个减少为21个并以环形方式排布，使用4 MHz的外部时钟)，降低系统运行时的功率消耗。表8-2列出了Mica系列的无线传感器节点的技术特点。,表8-2 Mica系列的无线传感器节点技术特点,3Mote系列节点,Mote是由Crossbow公司基于Mica系列节点开发的一种无线传感器网络产品。最基本的Mote组件是Mica系列处理器/无线模块，完全符合IEEE802.15.4标准。最新型的Mica2可以工作在868/916 MHz、433 MHz和315 MHz三个频带，数据速率为40 kb/s，通信范围可达1000英尺(约合305 m)；配备了128 KB的编程用闪存和512 KB的测量用闪存，4 KB的EEPROM；串行通信接口为UART模式。,4Telos系列节点,Telos系列节点是由美国国防部(DARPA)支持的NEST项目中的附属品，出发点是解决Mica系列节点能耗较大的缺点，采用了在待机时耗电较低的微处理器和无线收发LSI产品。微处理器和无线收发LSI分别采用美国德州仪器公司的MSP430和挪威Chipcon公司的CC2420。Telos节点在耗电量方面，待机时为2W，工作时为0.5mW，发送无线信号时为45mW。从待机模式恢复到工作模式的时间(Wakeup Time)平均为270 ns，最快仅为6 s。,5Gain系列节点,Gain系列节点是由中科院计算所开发的一种节点。中科院计算所是国内较早涉及无线传感器网络领域的几个单位之一，其开发了可配置的无线传感器网络节点及验证环境，包括了主控模块、供电模块、通信模块、传感器模块、FPGA支持模块等部分，各个模块从功能上相互独立，共同形成一套完整的软硬件开发环境，为后面进行功能更强大的无线传感器网络节点及相应的应用系统的开发提供了有力的保障，此外，它还可以支持无线传感器网络或其他嵌入式芯片的开发验证环境。Gain节点目前已经推向市场，是国内第一款自主开发的无线传感器网络节点。,8.3.2 Mica系列传感器设计分析,因为Mica系列节点开发较早、应用广泛、接口标准化，所以有很多传感器板与Mica系列节点兼容。,1电源供电电路,由于一些传感电路的工作电流较大，因此应该采用突发式工作的方式，即在需要采集数据时才使传感电路工作，从而降低能耗。由于一般的传感器都不具备休眠模式，因此最方便的办法是控制传感器的电源开关，实现对传感器的状态控制。,对于仅需要小电流驱动的传感器，可以考虑直接采用MCU的I/O端口作为供电电源，这种控制方式简单而灵活；对于需要大电流驱动的传感器，宜采用漏电流较小的开关场效应管控制传感器的供电；在需要控制多路电压时，还可以考虑采用MAX4678等集成模拟开关实现电源控制。,2温湿度和照度检测电路,MTS300CA使用的温湿度和照度传感器分别是松下公司的ERT-J1VR103J和Clairex公司的CL9P4L，参考电路如图8-4所示。温湿度和照度传感器封装比较小巧，而且基本上不需要额外的变送部分就可以送到处理器的ADC输入端进行采样。不过温湿度传感器和照度传感器本身的特性曲线一般不是线性的，用ADC测量后的结果需要经过器件本身提供的特性曲线进行校正。,图8-4 MTS300CA传感器板温湿度和照度传感器原理图,3磁性传感器电路,磁性传感器可以测量环境的磁场强度，对于探矿或者辨别方向非常有用，在传感器网络中可以作为方向性测量的一种工具。MTS300CA的磁性传感器的电路设计如图8-5所示。MTS300CA中使用的磁性传感器是美国Honeywell公司的双通道磁性传感器HMC1002。从HMC1002测得的场强以差分信号的形式输出，分别经过INA2126的两个放大器进行信号放大，放大倍数通过可变电阻调节芯片AD5242完成。放大后的信号送到节点平台的ADC控制器进行采集。,图8-5 MTS300CA传感器板磁性传感器电路,4加速度传感器电路,加速度传感器可应用在手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽车制动和启动检测，地震检测报警系统、玩具、环境监视、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析、高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦查上。图8-6是用Analog Device公司的ADXL105设计的加速度传感器电路，用于检测二维平面上物体的振动。通过信号调理电路，完成对两个加速度传感器ADXL105传输信号的调理，去掉ADXL105的输出中由于供电电源带来的低频噪声，之后再送给MCU的A/D转换接口。,图8-6 加速度传感器电路,8.4 小 结,Mica系列节点的发展贯穿传感器网络发展的全过程，形成了系列化、多功能的传感器网络试验平台，为传感器网络的发展起到了积极的推动作用。但是，Mica系列节点毕竟是实验室产品，其体积还比较大，能量供应方式上还只局限于电池方式。传感器网络是应用相关的，不同的应用需要使用不同的软硬件技术和不同的封装方法。从技术角度来看，无线传感器节点的硬件会随同下列技术的进步而发展：,(1)更低功耗、更小体积的处理器。目前已经面世的处理器，如Atmega256，可以工作在1.8 V电压以下，具有更低的功耗。但是为了减小电路的复杂度，需要其他模块也都有能够工作在如此低的电压下的集成电路芯片才行。TI公司的MSP430的表现也非常卓越，它可以更细致地配置工作频率，从而把功耗降低到非常小，这种低速运行对于慢速传感器的采集非常有效，即以非常低的功耗等待目标传感器的采集工作。当然，还有更多优秀的处理器正在开发，所以也必然会有更优秀的节点系统被开发出来。,(2)更有效的传感器系统。对于温湿度传感器或者照度传感器，其体积做小的空间还非常大，而对于其他类型的传感器，如磁性传感器、加速度传感器、化学传感器，如果其体积能够做小、采样速度能够提高，对扩展传感器网络的应用范围会起到很大的推动作用。(3)更有效的通信技术。目前在传感器网络中采用的无线通信技术手段更倾向于无线电通信技术。如果无线电通信在降低功耗(微瓦级)、缩小体积(天线)、抗干扰(高频信号泄漏而造成的内部串扰)等方面随着工艺加工技术、材料科学以及无线电通信技术本身的发展能够有所突破，从而实现微空间超低功耗的无线通信模块，那么传感器网络技术必然可以得到更大的推进。,(4)更高的集成技术。把多种不同技术要求的模块集成在一起，实现集成化单体无线传感器节点，是无线传感器节点的最终目标。MEMS技术的发展会把传感器网络的发展推向一个更高的水平。加州大学伯克利分校与DARPA的联合开发项目SPEC目前已经完成。该项目设计的集成化无线传感器节点非常小。该产品内嵌传感器、处理器和无线电通信模块。其通信频点为902 MHz，通信距离达到40英尺(12 m)，数据传输速率为19200 b/s。该产品被称为Smart Dust和TinyOS项目的一个重要的里程碑，对未来传感器网络的发展将起到重大的推动作用。,传感器网络是发展中的技术，其发展方向和前景非常好。从目前的发展趋势上看，实现微型化(灰尘大小)、网络化(成千上万个节点)、能量可持续(利用太阳能、振动甚至地热资源)、材料可回收、价格低廉都是传感器网络发展的必然趋势。通过不断的研究和拓展应用，传感器网络必定会成为人类认识和改造世界最有力的工具之一。,