無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息（如光強(qiáng)、溫度,、濕度,、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象），并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去,，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè),、醫(yī)療護(hù)理,、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,。 

 

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,，傳感器節(jié)點(diǎn)具有端節(jié)點(diǎn)和路由的功能： 一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由,，對(duì)本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合,，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)往往個(gè)數(shù)有限,，而且常常能量能夠得到補(bǔ)充,；網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式（如Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等）與外界通信,。而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大,，通常采用不能補(bǔ)充的電池提供能量；傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一旦耗盡,，那么該節(jié)點(diǎn)就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和路由的功能,，直接影響整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期。因此,，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),。具體應(yīng)用不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也不盡相同,，但是其基本結(jié)構(gòu)是一樣的,。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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.

 

　　1,、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型節(jié)點(diǎn) 

 

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺(tái),。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一,，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計(jì)都把節(jié)能作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，盡可能延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命,。

 

　　由于具體的應(yīng)用背景不同,，目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica系列,、Sensoria WINS,、Toles、μAMPS系列,、XYZnode,、Zabranet等。實(shí)際上各平臺(tái)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(yīng)用相關(guān)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(yīng)用,。還有一類節(jié)點(diǎn)是用集成了無線模塊的單片機(jī),，典型的是WiseNet。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如表1所列,。 

 

　　本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念,、特點(diǎn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成，重點(diǎn)分析比較節(jié)點(diǎn)各組成單元各種常用芯片的特點(diǎn),，并且始終將低功耗作為比較的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,。 

 

　　2、典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較 

 

　　目前,，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，其實(shí)這些節(jié)點(diǎn)的組成部分是類似的，只是其應(yīng)用背景不同,，對(duì)節(jié)點(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)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(xué)研制的Mica系列節(jié)點(diǎn)大多是采用Atmel公司的微控制器,。其中,，Mica2節(jié)點(diǎn)采用Atmel增強(qiáng)型微控制器ATmega128L。該微控制器擁有豐富的片上資源,，包括4個(gè)定時(shí)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(shè)計(jì),。采用該處理器的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是： 編譯器很多,，其中GCC（WINAVR）是完全免費(fèi)、開放的軟件,。由于以上優(yōu)點(diǎn)和Mica2節(jié)點(diǎn)的影響,，在實(shí)際的無線傳感器設(shè)計(jì)中應(yīng)用很多。但是從低功耗角度來講,，該芯片并不是最佳選擇,。

 

　　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(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流的消耗僅為 1.1 μA，而運(yùn)行模式電流低至 300 μA （1 MHz）,，從休眠至正常工作整個(gè)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(diǎn)和ZebraNet節(jié)點(diǎn)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(yīng)用中，高端的處理器也有應(yīng)用,。例如μAMPS1節(jié)點(diǎn)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(guān)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(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)），工作電流為15～72 mA,，頻率為1.8～57.6 MHz,。 

 

　　從處理器的角度看,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多,，多數(shù)支持DVS（動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)）或DFS（動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)）等節(jié)能策略,，但是其處理能力也強(qiáng)很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用,；此外,，采用高端處理器來作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是不錯(cuò)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(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)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(shí)應(yīng)該首先考慮系統(tǒng)對(duì)處理能力的需要，然后再考慮功耗問題,。  

 

　　2.2 無線傳輸技術(shù)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(shù)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(fèi)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(diǎn)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(diǎn)決定這不是一種理想的傳輸介質(zhì)。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(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片,。UWB具有發(fā)射信號(hào)功率譜密度低,、系統(tǒng)復(fù)雜度低,、對(duì)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(diǎn),；缺點(diǎn)是傳輸距離只有10 m左右,，隔墻穿透力不好。802.11b因?yàn)楣母叨鴳?yīng)用不多,，Bluetooth工作在2.4 GHz頻段,，傳輸速率可達(dá)10 Mbps；缺點(diǎn)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(gè)人無線局域網(wǎng),，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也有所應(yīng)用,。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離,、低復(fù)雜度,、低功耗、低數(shù)據(jù)速率,、低成本的雙向無線通信技術(shù),，完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設(shè)備中,，同時(shí)支持地理定位功能,。以上特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前市場(chǎng)上常見的支持ZigBee協(xié)議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導(dǎo)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(yīng)用較多，Toles節(jié)點(diǎn)和XYZ節(jié)點(diǎn)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(dǎo)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。 

 

　　普通的射頻芯片也是一種理想的選擇,，可以自定義通信協(xié)議,，比較有代表性的MAC協(xié)議有TMAC、SMA,、CWiseMAC,、BMAC,、DMAC等。路由協(xié)議有Gossiping,、SPIN協(xié)議,、LEACH協(xié)議、TEEN協(xié)議等,。從性能,、成本、功耗方面考慮,，RFM公司的TR1000和Chipcon公司的CC1000是理想的選擇,。這兩種芯片各有所長(zhǎng)，TR1000功耗低一些,，CC1000靈敏度高一些,，傳輸距離更遠(yuǎn)。WeC,、Renee和Mica節(jié)點(diǎn)均采用TR1000芯片,；Mica2采用CC1000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CC1020芯片,，傳輸速率可達(dá)153.6 kbps,，支持OOK、FSK和GFSK調(diào)制方式,；Micaz節(jié)點(diǎn)則采用CC2420 ZigBee芯片,。還有一類無線芯片本身集成了處理器，例如CC2430是在CC2420的基礎(chǔ)上集成了51內(nèi)核的單片機(jī),；CC1010是在CC1000的基礎(chǔ)上集成了51內(nèi)核的單片機(jī),，使得芯片的集成度進(jìn)一步提高。WiseNet節(jié)點(diǎn)采用的是CC1010芯片,。常見的無線芯片還有Nordic公司的nRF905,、nRF2401等系列芯片，因?yàn)楣妮^高,，接收靈敏度比較低,，開發(fā)難度較大，在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較少,。常用無線芯片的主要參數(shù)比較如表4所列,。 

 

　　2.3 電源模塊 

 

　　電池種類很多，電池儲(chǔ)能大小與形狀,、活動(dòng)離子的擴(kuò)散速度,、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要,，DCDC模塊的效率也至關(guān)重要,；另外，還可以利用自然界的能源來補(bǔ)充電池的能量,。 

 

　　按照能否充電,，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料,，電池可以分為鎳鉻電池,、鎳鋅電池、銀鋅電池和鋰電池,、鋰聚合物電池等。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高,，如果沒有能量補(bǔ)給來源,，則應(yīng)選擇不可充電電池。在可充電電池中,，鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度最高,，但是成本也比較高；鎳錳電池和鋰聚合物電池是唯一沒有毒性的可充電電池,。常見電池的性能參數(shù)如表5所列,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般工作在戶外，可以利用自然能源來補(bǔ)給電池的能量,。自然界可利用的能量有太陽(yáng)能,、電磁能、振動(dòng)能,、核能等,。由于可充電電池的次數(shù)是有限的，而且大多數(shù)可充電電池有記憶效應(yīng),，因此利用自然界的能量不能頻繁對(duì)電池充電,，否則會(huì)大大縮短電池的使用壽命。   

 

　　2.4 傳感器模塊 

 

　　傳感器種類很多,，可以檢測(cè)溫濕度,、光照、噪聲,、振動(dòng),、磁場(chǎng)、加速度等物理量,。美國(guó)Crossbow公司基于Mica節(jié)點(diǎn)開發(fā)了一系列傳感器板,，采用的傳感器有光敏電阻Clairex CL94L、溫敏電阻ERTJ1VR103J（松下電子公司）、加速度傳感器ADI ADXL202,、磁傳感器Honeywell HMC1002等,。溫濕度傳感器SHTxx系列能支持低功耗模式，采集完數(shù)據(jù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式,，電流小于1 μA,。 

 

　　傳感器電源的供電電路設(shè)計(jì)對(duì)傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對(duì)于小電流工作的傳感器（幾百μA）,，可由處理器I/O口直接驅(qū)動(dòng),；當(dāng)不用該傳感器時(shí)，將I/O口設(shè)置為輸入方式,。這樣外部傳感器沒有能量輸入,，也就沒有能量消耗，例如溫度傳感器DS18B20可以采用這種方式,。對(duì)于大電流工作的傳感器模塊,，I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)傳感器，通常使用場(chǎng)效應(yīng)管（如Irlm16402）來控制后級(jí)電路能量輸入,。當(dāng)有多個(gè)大電流傳感器接入時(shí),，通常使用集成的模擬開關(guān)芯片來實(shí)現(xiàn)電源控制，MAX4678就是這樣一款芯片,。 

 

　　3,、結(jié)論 

 

　　由于應(yīng)用背景不同，目前國(guó)內(nèi)外存在很多硬件平臺(tái),，采用的無線通信技術(shù)也有很多種,。本文主要總結(jié)了目前常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，分析比較了常用的處理器,、無線芯片,、無線通信技術(shù)、傳感器和電源,，并始終把功耗作為考慮的重要比較因素之一,。通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的詳細(xì)分析，期望能對(duì)我國(guó)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展起到積極作用,。