設計一個低成本的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

    借助SOC技術，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的體積就可以大大減小，應用領域和范圍不斷擴大。
   
　　計算機技術從誕生之日起就一直朝著小型化、智能化和操作簡單化發(fā)展，而且其應  
用領域也在不斷擴展并逐漸深入到我們的日常生活中，特別是近幾年來無線傳感網(wǎng)絡技術的出現(xiàn)更是將這一規(guī)律推向了極致，它正在悄悄地改變著信息產(chǎn)業(yè)的形態(tài)，并必將影響著我們工作和生活的方方面面。

　　要想讓無線傳感網(wǎng)絡走向現(xiàn)實，必須從硬件設計、軟件設計、通信協(xié)議到應用研究等各方面進行深入的研究。我們將介紹一種較實用低成本的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點設計方案，希望給國內(nèi)同行一定的啟發(fā)。

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點體系結構

   無線傳感網(wǎng)絡在設計目標方面有別于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡（如WLAN和蜂窩移動電話等），后者要不應用于高度移動的環(huán)境中，要不就是強調(diào)資源管理策略和服務質(zhì)量保證（QOS）。而在無線傳感網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡節(jié)點往往是相對穩(wěn)定的或者靜止的，而且通常運行在十分復雜的外界環(huán)境中，節(jié)點的密集程度較高且分布隨機。其大部分應用都是需要通過電池進行供電，所以電源供電和功耗問題是無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點軟硬件設計的核心問題。

　　無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡的主要組成部分，目前，人們普遍認為：無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點在未來將是一次性的（就如同現(xiàn)在的一次性餐具一樣），因此，節(jié)點不僅要成本低廉，而且工作時間要盡可能長。無線傳感網(wǎng)絡中不應該存在專門的路由器節(jié)點，每個節(jié)點既是終端節(jié)點，又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用無線自組織網(wǎng)絡聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個的節(jié)點上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式；另一方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議，IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感網(wǎng)絡應用需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無線通信協(xié)議。基于這些基本的思想，我們設計了一種無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，并在實際中得到了應用，而且也提出了一些新的設計思路和一些有待進一步研究解決的問題。

   無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的體系結構設計主要包括硬件體系結構設計、軟件體系結構設計和軟硬件協(xié)同設計三個方面。硬件一般包括傳感器﹑微控制器和無線收發(fā)器等三個部分，如圖1所示，傳感器部分是節(jié)點伸入自然界的觸角，它主要負責信息的采集并將其他如光信號、電信號、化學信號轉變?yōu)閿?shù)字信號并送給微控制器；微控制器需要完成所有我們所需要的處理，其中最主要是的需要實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡的安全可靠的無線通信協(xié)議；第三部分的射頻模塊負責發(fā)送數(shù)據(jù)，即通信的物理實現(xiàn)。

   無線傳感網(wǎng)絡軟件是由嵌入式操作系統(tǒng)﹑無線通信協(xié)議和面向具體應用的軟件任務等所組成的，如圖2所示，可以綜合為系統(tǒng)層和用戶層兩大部分，圖中的系統(tǒng)調(diào)用層主要包括文件系統(tǒng)、無線通信協(xié)議、設備管理、低功耗分布式處理等，核心結構層主要包括了內(nèi)存管理、進程調(diào)度、中斷管理等內(nèi)容。實際上，純粹的硬件設計或是軟件是遠遠不夠的，如低功耗設計往往是需要二者的配合才能達到理想的效果。圖3中給出了中科院計算所自行設計的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點原型系統(tǒng)，它具有和國外最新產(chǎn)品幾乎完全相同的性能。

 微控制器選用了ATMEL公司的低功耗微控制器ATMEGA128L，無線收發(fā)器采用了Chipcon公司  
的低功耗射頻收發(fā)器CC1000，為了突出無線傳感網(wǎng)絡廣泛的應用場合，我們選用了9種不同類型的傳感器（包括光﹑溫度﹑濕度﹑加速度﹑光電﹑液位﹑熱釋電﹑磁感應﹑壓力）。為了調(diào)試方便及可擴展性，我們將傳感器板獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
   
   主控制器是一個8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相對于其他通用的8位微控制器來說，它具有更加豐富的資源，并且具有極低的能耗。它具有片內(nèi)128K字節(jié)的程序存儲器（Flash），4K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（SRAM，可外擴到64K）和4K字節(jié)的E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作。8個PWM通道﹑可編程看門狗定時器和片上振蕩器﹑片上模擬比較器。UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口。更值得一提的是，除了正常操作模式外，它還具有六種不同等級的低能耗操作模式，在每種低能耗模式下具有不同的能耗。因此該微控制器非常適合于低能耗的應用場合。

   無線收發(fā)器CC1000是為低電壓無線通信的應用場合設計的單片UHF（ultra-high frequency）收發(fā)器。它除了具有工作電壓低（2.1v~3.6v均可工作）﹑能耗低﹑體積小﹑無須任何片外濾波電路，可直接和外部天線接口等非常適合于集成的特點外，還具有輸出強度和收發(fā)頻率可編程的特點。它采用FSK調(diào)制方式，最大收發(fā)波特率76.8kbps，外部采用類似于SPI的接口，可以和微控制器直接接口。非常適合于低能耗和小體積的應用場合。

   在傳感器方面，我們選用了一些當今應用最為常見的傳感器，傳感器的電路部分設計較為簡單，關鍵是需要控制傳感器的能耗，通過在設計上采用power gating技術，以達到在無數(shù)據(jù)采集任務時及時關閉電源，節(jié)省電能的目的。

   在電源方面，我們選用了三節(jié)可以反復充電使用的Nicd電池。在未來，我們準備對電源部分進行改造，采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。

   除了這些無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點所需的最基本功能模塊之外，我們還設計了硬件ID標志。通過采用dallas公司的Ds2401的單線接口ID芯片，可以很方便的實現(xiàn)。

軟件設計
   在軟件的設計上，為了保證軟件的可靠性和簡化軟件開發(fā)，我們使用了目前比較流行的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTO  
S：Real Time Operation System）uc/osII。uc/osII的前身是uc/os，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse用C語言寫的一個源代碼開放的、占先式的多任務實時內(nèi)核。目前已有十來年的歷史了。它采用靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度，能管理64個任務，其中用戶最多可以使用56個任務。它具有執(zhí)行效率高、占用空間小（內(nèi)核最小可編譯至2K）、實時性優(yōu)良和擴展性強的特點，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。但是，由于uc/osII的源碼開放性，缺乏必要的技術支持，系統(tǒng)的更新、功能擴充得不到有力的支持，象各種硬件的驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、通信協(xié)議等，只能由用戶自己開發(fā)，這也就在很大程度上限制了uc/osII的發(fā)展。

   我們不僅成功的實現(xiàn)了uc/osII在ATMEGA128L上的移植，而且針對硬件電路和應用需要，增加了外圍硬件的驅(qū)動、文件系統(tǒng)以及無線通信協(xié)議三個部分。在外圍硬件的驅(qū)動上，主要是控制指示燈的亮滅和對傳感器的控制與數(shù)據(jù)的采樣。文件系統(tǒng)實質(zhì)是對一塊外部EEPROM的讀寫控制，通過文件系統(tǒng)的管理，可以避免應用軟件對EEPROM的直接讀寫，文件系統(tǒng)的緩沖功能大大減少了對EEPROM的讀寫次數(shù)，延長了它的使用壽命。

   無線通信協(xié)議是軟件中的一個重要問題，因為它直接關系到節(jié)點的性能，目前，無線傳感網(wǎng)絡的鏈路層和網(wǎng)絡層協(xié)議還沒有定論，許多問題仍然在學術界進行研究。因此，在鏈路層，我們設計了一個簡化的CDMA/CA協(xié)議，即任何節(jié)點在發(fā)送之前必須進行一段隨機時間的偵聽，在確認目前沒有別的節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸時才進行數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)雙方通過三次握手來交換數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)空閑時，關閉偵聽功能，以盡可能降低功耗。當然，這種協(xié)議存在著隱含節(jié)點以及偵聽時的功耗損失等問題，但在一定的節(jié)點數(shù)量范圍內(nèi)還是很有效的。在網(wǎng)絡層協(xié)議上，目前采用了簡化的IPV6的路由協(xié)議，之所以考慮采用IPV6，是考慮到IPV6的巨大的地址空間、鄰居發(fā)現(xiàn)功能、安全性好等優(yōu)良特性恰好給無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展提供了很好的支持。

   應用層軟件的設計相對比較簡單，主要是任務間的協(xié)作，根據(jù)具體的應用場合，應用層軟件也是有所不同的。
     
   從我們對無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的實際研制過程可以看到：無線傳感網(wǎng)絡要能達到理想的性能指標，首先必須依賴SOC技術和MEMS技術，盡可能的把射頻控制器、微控制器以及一些外圍電路（包括傳感器）集成在一塊芯片上，這樣就可以大大減小節(jié)點的體積，擴大應用領域和應用范圍。其次，無線網(wǎng)絡的鏈路層，網(wǎng)絡層協(xié)議的性能是制約無線傳感網(wǎng)絡的關鍵因素。

   隨著SOC和無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議研究的開展，預料在不久的將來，無線傳感網(wǎng)絡將會很快走向每個家庭和每個人，極大提高人們的生活質(zhì)量，我們期待著這一天的到來。