GAINZ节点产品白皮书

GAINZ节点产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）中国科学院计算技术研究所信息网络室2005年12月目录§1产品简介.........................................................................................................3§2GAINZ节点特色及优点................................................................................5§3GAINZ节点介绍............................................................................................63.1GAINZ节点硬件结构..................................................................................63.2GAINZ节点软件结构..................................................................................9§4WSN网络分析与管理平台（SNAMP）介绍............................................124.1研发背景.....................................................................................................124.2总体架构.....................................................................................................124.3功能简介.....................................................................................................144.4基于GAINZ的无线传感器网络解决方案...............................................17§5研发机构简介...............................................................................................195.1中国科学院计算技术研究所...................................................................195.2宁波中科集成电路设计中心...................................................................205.3计算所信息网络室....................................................................................20无线传感器网络节点GAINZ产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）第―3―页§1产品简介中国科学院计算技术研究所是我国第一个从事计算机科学技术研究的综合性研究机构，近五十年来，在计算机体系结构和系统软件研究、高性能计算机研制、高性能芯片设计、测试验证和容错计算等方面，完成了一批获奖成果，并在国防建设、国民经济和信息产业中，得到了应用。在这五十年的风风雨雨中，中科院计算所不仅从事着国家发展战略所要求的尖端技术研究工作，还是我国科研成果产业化的急先锋。迄今为止，计算所直接或间接创办的企业已经逾30家，孕育了联想、神州数码、曙光等国内著名的公司，计算所凭借着强大的科研和商业实力，并不断在一个个新兴领域中扬帆起航。在这些新兴领域中，最典型的是面向任务的无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值，已经在国内外引起了广泛的重视。作为国内较早涉及无线传感器网络领域的几个单位之一，中科院计算所凭借着在芯片设计、系统设计及无线网络等方面的深厚的技术沉淀，迅速掌握了多项关键技术，其中包括面向无线传感器网络的专用处理器芯片、面向行业应用的无线传感器网络节点、多种应用软件及支持平台、无线传感器网络开发芯片及应用开发平台。我们拥有诸多具有自主知识产权的技术产品，主要包括：兼容ATMEL公司AVR指令集的基于事件驱动的专用低功耗处理器芯片（WO-LPP）、完全兼容市场上主流WSN节点软件平台的高可靠的使用便捷的无线传感器网络节点（GAINS）、基于2.4G频段兼容802.15.4/zigbee的无线传感器网络节点（GAINZ）事件驱动的无线传感器网络操作系统（GOS）及相应软件环境、无线传感器网络分析及管理平台（SNAMP）等。本着资源共享、联合开发的原则，我们面向国内在无线传感器网络研究及应无线传感器网络节点GAINZ产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）第―4―页用开发方面有一定技术背景的高等院校、研究所及公司提供自主开发的软硬件平台，并在全国寻求无线传感器网络相关的技术和产品代理以及软硬件开发及应用方面的合作，希望我们能够抓住无线传感器网络领域发展契机，共同托起这颗沉甸甸的明日之星。公司地址：浙江省宁波市科技园区创业大厦6层联系电话：[phone]传真：[phone]产品主页：产品及技术支持热线：姜鹏：0574-87910141杨宇：0574-87910156QQ群：2270403（推荐）无线传感器网络节点GAINZ产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）第―5―页§2GAINZ节点特色及优点通过我们不懈的努力，研发出了具有和市场上主流2.4G无线传感器网络节点相兼容的，并且在传输距离、功耗等方面均有一定的优势的无线传感器网络节点GAINZ，下文将详细介绍GAINZ可商业化节点的详细信息，同时，我们的研发工作一直在进行之中，新的、功能更完善的节点将不断开发出来，和类似产品相比，我们的GAINZ节点具有以下技术特点和优势：1、传输距离。由于采用专用高频电路板材，合理的阻抗匹配，在相同的电池供电及功率消耗下，GAINZ节点的通信距离达到国际同类产品先进水平，通信距离编程可调0~100m，有效距离达50M以上，适合大部分短距无线传感器网络应用要求。2、功耗低。GAINZ采用的元器件大都为低功耗器件，在使用我们的低功耗通信协议栈时，在睡眠状态，电流仅为5mA，在掉电节能模式下，电流更是只有110µA左右。节点使用2节AA电池即可正常工作。3、使用方便。我们节点每个都有串口和JTAG口，都可以对每个节点方便地进行编程，不需要复杂的编程环境；另外每个节点都可以直接接到计算机上，充当SINK节点，同样不需要专门定制的接口板，十分方便。4、软件资源。为了扩展产品的适用范围，我们开发了兼容目前WSN领域最主流的802.15.4规范的协议栈，开发语言是C，易于开发与相互共享交流，完全可以成为我们公共的平台。5、技术支持。国内同类产品在国内的销售仅限于商业代理，并没有令人满意的技术支持，其硬件的不稳定性又加大了科研和应用开发的难度；而我们拥有数十人的稳定而强大的研发团队，可以为用户解决技术支持的后顾之忧。6、其他方面。我们在无线传感器网络方面的软硬件产品拥有完全的自主知识产权，欢迎大家放心使用；另外，在价格方面我们将会具有强大的优势，欢迎大家联系同类产品相关代理，以便进行分析比较。无线传感器网络节点GAINZ产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）第―6―页§3GAINZ节点介绍3.1GAINZ节点硬件结构我们的无线传感器网络节点GAINZ是基于低功耗微处理器芯片ATMEGL128，射频部分采用CHIPCONCC2420芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FlASH存储器。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展。3.1.1GAINZ节点总体架构图1所示是GAINZ节点的总体架构，它由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，在一个节点提供了可扩展不同传感器的接口，所以可能包括多种传感器器件；处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，包括了数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理等等；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源供应模块为传感器节点提供运行所需的所有电源。无线传感器网络节点GAINZ产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）第―7―页传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器传感器模块处理模块无线通信模块能量供应模块图1GAINZ节点总体架构GAINZ节点支持组成三种拓扑结构，如图2中所示。星状网拓扑结构中所有节点都与基站和网关进行双向通信（图2中A图）。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与互联网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间网络点，相互之间并不传输数据或命令。A.星状网络B.网状网络C.星－网混合网络图2GAINZ的三种拓扑结构网状拓扑结构所有节点都相同，而且直接互相通信，与基站进行数据传输和命令传输（图2中B图），网状网的每个节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容错能力较强。混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点（图2中C图）。在混合网中，路由节点和中继节点组成网状结构，而无线传感器网络节点GAINZ产品白皮书宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部）第―8―页传感器节点则在它们周围呈星状分布，中继器扩展了网络传输距离，同时提高了系统的容错能力。由于传感器节点可与多个路由器或中继器通信，当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组。ATMEGL128处理器参数a)AVRRISC指令集123条指令，大部分为单周期指令32个通用寄存器、64个I/O控制寄存器片内128KB程序存储器、4KB数据存储器(可外扩至64KB)在线可编程b)提供丰富的外围设备接口片内模拟比较器可编程UART、I2C、SPI接口可编程RTC、看门狗、时钟源及计数器8通道10位ADC可编程PWMc)先进的低功耗设计技术层次化功耗管理六种低功耗模式软件可配置的多时钟模式极低的功耗（正常功能下5mW、低功耗模式下10µW）d)工艺：0.18µm3.1.2GAINZ硬件平台我们在无线传感器网络和低功耗设计方面进行过多年的预研工作，在无线传感器网络节点及开发环境的设计方面已经取得了丰硕的成果,研发出了工作于433MHZ-915MHZ的GAINS系列节点。GAINZ节点是我们最新推出的基于2.4GHZ的无线传感器网络节点，如图3所示。GAINZ（如下图所示）兼容了同类节点的所有功能，并在传输距离和节点的可靠性上都很很大的提高,并提供了包括光传感节点、温度传感节点、光电传感节点、人体感应节点、