引言
無線傳感器網(wǎng)絡wsn（wirelesssensornetwork）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zui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zui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、sensoriawins、toles、μamps系列、xyznode、zabranet等。實際上各平臺zui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、4kbsram、128kbflash和4kbeeprom,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*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*選擇。
如表1所列，就低功耗而言，msp430f1xxmcu系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為1.8v，實時時鐘待機電流的消耗僅為1.1μa，而運行模式電流低至300μa（1mhz），從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6μs。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，的處理器也有應用。例如μamps1節(jié)點采用strongarm處理器sa1110，功耗為27～976mw。該處理器支持dvs節(jié)能，可以降低功耗450mw左右；關掉無線模塊功耗可以降低300mw。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)頻率調節(jié)），工作電流為15～72ma，頻率為1.8～57.6mhz。
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)電壓調節(jié)）或dfs（動態(tài)頻率調節(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，采用處理器來作為網(wǎng)關節(jié)點也是不錯的選擇。表2中zui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10m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2.4ghz頻段，傳輸速率可達10mbps；缺點是傳輸距離只有10m左右，完整協(xié)議棧有250kb，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zui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32kb，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，figure8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figure8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2.4ghz無線傳輸芯片有mc13191、mc13192、mc13193；該公司還提供配套的開發(fā)套件。
表3應用于無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信技術
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，tr1000功耗低一些，cc1000靈敏度高一些，傳輸距離更遠。wec、renee和mica節(jié)點均采用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153.6kbps，支持ook、fsk和gfsk調制方式；micaz節(jié)點則采用cc2420zigbee芯片。還有一類無線芯片本身集成了處理器，例如cc2430是在cc2420的基礎上集成了51內(nèi)核的單片機；cc1010是在cc1000的基礎上集成了51內(nèi)核的單片機，使得芯片的集成度進一步提高。wisenet節(jié)點采用的是cc1010芯片。常見的無線芯片還有nordic公司的nrf905、nrf2401等系列芯片，因為功耗較高，接收靈敏度比較低，開發(fā)難度較大，在實際的無線傳感器網(wǎng)絡中應用較少。常用無線芯片的主要參數(shù)比較如表4所列。
表4常用無線芯片主要參數(shù)比較
2.3電源模塊
電池種類很多，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴散速度、電極材料的選擇等因素有關。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要，dcdc模塊的效率也至關重要；另外，還可以利用自然界的能源來補充電池的能量。
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，如果沒有能量補給來源，則應選擇不可充電電池。在可充電電池中，鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度zui高，但是成本也比較高；鎳錳電池和鋰聚合物電池是*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)絡節(jié)點一般工作在戶外，可以利用自然能源來補給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽能、電磁能、振動能、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，因此利用自然界的能量不能頻繁對電池充電，否則會大大縮短電池的使用壽命。
表5常見電池的性能參數(shù)
2.4傳感器模塊
傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量。美國crossbow公司基于mica節(jié)點開發(fā)了一系列傳感器板，采用的傳感器有光敏電阻clairexcl94l、溫敏電阻ertj1vr103j（松下電子公司）、加速度傳感器adiadxl202、磁傳感器honeywellhmc1002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)后自動轉入休眠模式，電流小于1μa。
傳感器電源的供電電路設計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于小電流工作的傳感器（幾百μa），可由處理器i/o口直接驅動；當不用該傳感器時，將i/o口設置為輸入方式。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。對于大電流工作的傳感器模塊，i/o口不能直接驅動傳感器，通常使用場效應管（如irlm16402）來控制后級電路能量輸入。當有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關芯片來實現(xiàn)電源控制，max4678就是這樣一款芯片。
3、結論
由于應用背景不同，目前國內(nèi)外存在很多硬件平臺，采用的無線通信技術也有很多種。本文主要總結了目前常見的無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺，分析比較了常用的處理器、無線芯片、無線通信技術、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。通過對無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺的詳細分析，期望能對我國的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和發(fā)展起到積極作用。