第3章3无线传感网络硬件设计

无线传感器节点及硬件设计无线传感网络硬件设计无线传感器网络硬件节点设计1无线传感器网络节点设计技术概述2中央处理模块3高频无线通信模块4传感模块5能量供应模块6节点外围功能模块7典型的无线传感器网络节点8无线传感器网络节点开发12面向应用的多媒体传感器网络无线传感器网络低功耗硬件设计31无线多媒体传感器网络节点总体构架2无线音频传感器节点设计与实现3无线图像传感器节点设计与实现4无线视频传感器节点设计与实现1无线传感器网络能耗问题2MEMS技术基本原理3MEMS通信设计原理4无线传感器网络硬件供能模块设计1无线传感器网络硬件节点设计技术概述一、硬件设计特点与要求（1）轻量化（2）扩展性和灵活性（3）稳定性和安全性（4）低成本二、无线传感器网络硬件系统的主要组成（1）普通传感器节点（2）汇聚节点（3）网关节点三、节点基本构架应用系统层嵌入式系统内核层设备驱动层功能部件层为终端用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法。在设备与应用之间建立连接，提供软硬件系统调用的方式，同时为上层应用提供功能服务。为底层物理部件提供设备驱动功能与策略。整个节点的硬件基础。包括所有硬件模块组成与系统底层调用的集合。四、节点各模块及调用关系用户界面接口中央主控处理模块信息传感模块能量供应模块基站控制模块高频无线通信模块各模块功能说明：（1）中央主控处理模块中央主控处理模块是整个节点的核心模块，进行系统全局调度以及与用户交互。（2）用户界面接口用户界面接口为用户提供了选择、控制、传感信息采集，以及信号传输方式的选取等诸多服务。（3）高频无线通信模块高频无线通信模块包括了低噪声放大、混频、滤波、调制解调等多个操作步骤，将传感信息以无线频谱的方式，在相应的频段上进行传输，同时，接收来自自组网络内其它节点的传感信息传递，并实时与基站节点沟通。（4）信息传感模块信息传感模块采用了可插拔的部件设计技术，将各种不同的传感应用设计为可灵活组合的传感模块。（5）能量供应模块能量供应模块为上述所有模块提供能源供给，针对系统的4种工作方式，提供相对应的能源供给方式。2中央处理模块一、功能概述（1）接收来自各类型传感器的测量数据，完成数据处理，交由无线通信模块发送。（2）读取无线通信模块接收到的数据和控制信息，进行数据处理并实现对其它模块的控制。（3）实现无线传感器网络中的各种算法和协议，如MAC协议、路由协议、定位算法等。二、设计需求（1）体积尽量小（2）集成度尽量高（3）要有足够的外部通用I/O端口和通信接口（4）成本尽量低（5)低功耗且支持睡眠模式（6）运行速度要尽量快三、模块的内核中央处理AVR内核地址传送单元地址匹配单元RAM模块SPI编程单元定时器模块RF串行接口UARTRF定时部件数字I/ORF时钟部件ADC控制器通道监听部分数据总线四、时钟系统1、时钟系统概述时钟系统是无线传感器网络节点中的重要组成部分，同节点的工作频率直接相关，并贯穿于传感数据转换、信息交互及程序烧写等多个过程。2、典型无线传感器网络节点时钟系统组成部分①CPU核心时钟。CPU核心时钟与操作微处理器内核的子系统（如通用工作寄存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器）相连。②I/O时钟。I/O时钟用于主要的I/O模块（如定时器/计数器、SPI和USART）。③Flash时钟。Flash时钟控制Flash接口操作。这个时钟通常与CPU核心时钟同步。④异步定时器时钟。异步定时器时钟允许异步定时器/计数器直接由外部32kHz时钟晶体驱动，使得此定时器/计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟。⑤ADC时钟。ADC具有专门的时钟，这样可以在ADC工作时停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度五、模数转换模块节点内部一般都集成了模数转换部件。以Mica2节点为例，其内部集成了一个10位的逐次逼近型的ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口的8路单端输入电压进行采样。六、典型的中央处理模块当前的无线传感器网络节点中使用较多的处理器有ATMEL公司的AVR系列单片机，而TI公司的MSP430超低功耗系列处理器，不仅功能完整、集成度高，而且能够根据存储容量的多少提供多种引脚兼容，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Telos中使用的就是这种处理器。作为2000年以来32位嵌入式处理器市场中红极一时的嵌入式ARM处理器，极有可能成为下一代无线传感器网络节点设计的考虑对象。3高频无线通信模块一、工作状态无线传感器网络的高频无线通信模块包括发送、接收、空闲、睡眠4种工作状态，其中，空闲状态时需要节点监听无线信道，检查信道中是否有自己要接收的数据；在睡眠状态时则需要关闭无线通信模块。图无线传感器网络节点各部分能耗051015传感器处理器发送接受空闲睡眠功耗二、无线传感器网络节点通信芯片的选择随着集成电路技术的飞速发展，无线通信芯片的体积越来越小，价格也越来越低，这也更符合了无线传感器网络微型化和低成本的要求。所以，在无线通信芯片的选择中就要更加关注于芯片的性能，包括载波频段、工作电压、传输距离等。三、无线通信模块与中央处理模块的交互PDATAPCLKPALEATmegal128LSPI_MISOSPI_SCKCHP_OUTADC0CC1000DIODCLKCHP_OUTRSSI10.1.4传感模块一、无线传感器网络节点传感模块概述5能量供应模块为了尽可能降低节点的能耗，延长其使用寿命，设计过程中，可以为无线传感器网络节点选择多种灵活的工作模式，配置各种可选的电源管理方案。具体包括如下几种模式。（1）空闲模式（2）ADC噪声抑制模式（3）掉电模式（4）省电模式（5）等待模式6节点外围功能模块一、串行Flash模块无线传感器网络节点的处理器模块内部一般都有一定容量的存储空间。典型传器网络节点外部存储模块原理图如10-20所示。二、信号指示和报警部件无线传感器网络中的信号指示和报警部件主要是指其亮灯电路和蜂鸣电路。亮灯电路用来指示节点的工作状态，并可实现部分传感信息的通告（如火灾报警、温度超标报警等）。另外，报警部件也可实现信息通告和事件报警。三、外部接口（1）标准接口无线传感器网络节点要想得到广泛的应用，就必须拥有完整、通用的标准接口，以便于节点及网络功能的扩展。这里仍以Mica2节点为例，该节点拥有一个51针的通用标准I/O接口，主要用于传感面板和节点的连接与信息交互。电路原理图如图10-22所示，其实物图如图10-23所示。（2）编程接口电路①JTAG编程方法JTAG接口首先被芯片制造商或者板卡制造商用来检查芯片是否工作正常；其次JTAG接口可以用来调试处理器芯片，从硬件上控制处理器芯片的运行流程，包括单步执行、设置断点、读写芯片内部寄存器和存储器。②SPI编程方法SPI接口通过3根线（1条时钟线SPI_SCK、2条收发数据线UART_RXD0和UART_TXD0，注意SPI串口编程使用的数据线不是SPI_MOSI和SPI_MISO）完成编程。③串口电路串口电路一般只有基站节点才有。由于无线传感器网络节点一般所用的AVR单片机的输入输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS232标准串行接口，二者电气规范不一致；因此必须进行电平转换。常用微处理器及其关键特性常用通信芯片及其关键特性常用通信芯片：CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式时速率只能达到19.2KbpsCC2420：工作频率2.4GHz，是一款完全符合IEEE802.15.4协议规范的芯片；传输率250Kbps常用传感器及其关键特性WSN节点的发展•第一代（1996~1999）：UCLA的WINS，UCBerkeley的SmartDust、WeC和Rene。•第二代（2000~2001）：UCB的Mica与Dot，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II,Rockwell公司的HYDRA。•第三代（2002~2003）：Mica2和MicaDot2，NASAJPL实验室的SensorWeb。•第四代（2004~）：MicaZ、Telos、EmberNode、Imote、Imote2。典型无线传感器网络节点（1）Smartdust主要特点：①采用MEMS技术，体积微小②具有长期工作的潜力。③采用光通信方式。④其传输的方向性、无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。（2）Mica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。产品包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和Spec等，其中Mica2和Mica2dot节点已经由Crossbow公司包装生产。（3）TmoteSkyTmoteSky是MoteIV公司生产的超低功耗的、高数据传输率的下一代无线传感器网络平台，是由Moteiv’sTelosRevisionB版本改进而来，使用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430，通信模块采用了Chipcon公司支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片，可与其它IEEE802.15.4的设备协同工作，250kbit/s的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠，节省系统能量。MPR400系列的MICA2节点MTS300CA传感板MIB510编程板TI公司的cc2430\2530芯片•CC2430/2530是TI公司的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。•满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。•结合高性能2.4GHzDSSS射频收发器和小巧高效的8051控制器。•TI开发套件由专业人士精心设计，具有基于2004/2006/2007/PRO协议栈的开发模板、完整的原理图及例程源码。针对CC2430/CC2530芯片的Zigbee开发套件可与IARforMCS-51集成开发环境无缝连接。硬件连接图无线传感器网络能耗问题概述无线传感器网络与传统的无线通信网络有很大的区别。GSM、WiFi、CDMA等无线网络的首要设计目标是提供尽可能高的服务质量，节点的能量可以进行补充，因此消耗是次要考虑的问题。而无线传感器网络的节点不能补充能量，尽可能延长网络系统的生存周期成为无线传感器网络的首要设计目标。传感器由部分组成：通信模块、计算模块、传感器模块和能量供应模块。由于传感器模块通常情况下能耗很低，并且可以通过在应用的范围内适当延长采样周期，降低采样精度的方法来降低传感模块的能耗，因此通常只考虑计算模块和通信模块的能耗问题。MEMS技术基本原理MEMS器件采用哪种材料制造？①由于集成电路的发展，使得当前所能大量生产的单晶硅具有纯净、廉价的优势。②已经开发出的大量针对硅材料的加工和处理技术已经非常成熟。③基于硅的MEMS设计，提供了集成控制和信号处理电路的潜能。④硅的物理和机械特性使它在设计机械传感器方面有着很大的优势。MEMS通信设计理论一、射频通信技术在设计必需使用RF技术的节点时，采用MEMS技术能有效地减小收发器的体积。天线的大小是RF技术在无线传感器节点的小型化设计中的最大障碍之一。MEMS技术目前已经被用于不同频段的平面或三维微型天线中，以提高天线的效率和缩小天线的尺寸。RF技术由于自身因素的限制，并不适合于小型化的无线传感器节点中使用。原因如下。①为了保证某些波段的通信有效性，天线长度会到达几厘米，这对节点的小型化设计来说是不可接受的。②RF发射器效率较低。二、光通信技术光通信优点：①可用做通信的光源可以很小，如激光二极管等。②发送效率比RF技术要高。③可以采用空分复用的方式进行通信，光的指向性可以使传感器在多个方向进行多路传输，这比RF技术的复用方式更简单，且效率更高。光通信缺点：依赖于光线的直线传播，通信距离短，且对定向性要求很高。但是可以利用MEMS技术和有效的算法来解决这些问题。无线传感器网络硬件功能模块设计一、能量存储单元希望微电池所能具有的特点如下。•①能量密度尽量高。•②通过简单的