無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)

1、第27卷第9期2006年9月儀器儀表學(xué)報Chinese Journal of Scientific InstrumentVol127No19Sep12006無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)3吳鍵袁慎芳(南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)研究所南京210016摘要無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當前國內(nèi)外傳感器技術(shù)領(lǐng)域的熱點研究課題,本文給出了一種構(gòu)建智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)通用節(jié)點的體系結(jié)構(gòu),并運用該體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想完成了無線傳感節(jié)點的研制。該智能無線傳感節(jié)點采用的軟件開發(fā)系統(tǒng)是專用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開放源代碼的操作系統(tǒng)TinyOS,運用該平臺完成了節(jié)點的性能測試和試驗。結(jié)果表明,該節(jié)點達到了設(shè)計要求,該設(shè)計思想可以提高無線

2、傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研制效率。關(guān)鍵詞無線傳感網(wǎng)絡(luò)通用體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想中圖分類號TP393文獻標識碼A國家標準學(xué)科分類代碼460.40Design and implementation of a general node for wireless sensor net worksWu Jian Yuan Shenfang(T he A eronautic key laboratory of smart material and st ructure,N anj ing Universit yof A eronautics and A st ronautics,N anj ing210016,China

3、AbstractThe wireless sensor network is t he hot spot of sensor technology research currently.In t his paper,a novel design met hod is p resented for building a general architect ure of t he wireless sensor network node.Based on t his design idea,t he develop ment of a wireless sensor node was comple

4、ted.The software develop ment of t he designed node is based on t he TinyOS platform,which is an operating system specially designed for wireless sensor network.On t his platform,t he performance test s of t he designed wireless sensor node were conducted. The test result s demonstrate t hat t he pr

5、esented design met hod can enhance t he efficiency of wireless sensor net2 work node design.K ey w ordswireless sensor networks general architect ure design idea1引言無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念是基于一個簡單的等式:傳感技術(shù)+中央處理器+無線通信=數(shù)以千計的潛在應(yīng)用可能。當需要對諸如溫度、光通量、位移以及噪聲等環(huán)境參數(shù)進行不間斷地傳感、測試和無線信號傳輸時,可以考慮在相關(guān)領(lǐng)域中配置智能化的無線傳感網(wǎng)絡(luò),通過對環(huán)境待測參數(shù)的傳感數(shù)據(jù)分析來達到檢測

6、目的,這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到國防軍事1、動物的習(xí)性觀測2、材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測3、交通管理4、醫(yī)療衛(wèi)生5、災(zāi)害監(jiān)測6等領(lǐng)域中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最初研究來源于美國軍方,美國國防先進研究計劃局(DARPA于2001年資助加州伯克力大學(xué)開發(fā)無線傳感器系統(tǒng)。美國自然科學(xué)基金委員會2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃,投資3400萬美元用于支持該方面的基礎(chǔ)研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)尚處于研究階段,清華大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所、中科院合肥智能所等單位已開始進行這方面的研究324。其中針對面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無

7、線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究,哈爾濱工業(yè)大學(xué),南京航空航天大學(xué)都開展了一些初步的探索526,但是因為目前國內(nèi)幾乎沒有自行研制的無線智能傳感節(jié)點,都是購買Mote產(chǎn)品進行前期探索,這方面3本文于2005年5月收到,系國家自然科學(xué)基金國際合作研究(50420120133、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃(90305005資助項目。第9期吳鍵等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)1121同國外的差距較大。本文給出了一種構(gòu)建智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)通用節(jié)點的體系結(jié)構(gòu),并運用該體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想完成了無線傳感節(jié)點的研制。2通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點的通用結(jié)構(gòu)必須以共享硬件資源為前提,能夠分離一般數(shù)據(jù)通路和無線數(shù)據(jù)

8、通路,并且能兼容多種通信協(xié)議。為了使無線收發(fā)器實時、高速的通信,需要采用專用的硬件加速器以滿足系統(tǒng)高性能、高效率的要求。圖1描述了本文給出的通用節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的核心是一個中央處理器,用于分時處理操作請求和通信協(xié)議。僅僅采用單一的處理器結(jié)構(gòu)是因為在某些需要的場合可以將所有的處理器資源用于單一任務(wù)的運行。這樣的結(jié)構(gòu)完全出于提高處理能力和處理效率的考慮。該系統(tǒng)中唯一的核心處理器需要具有額外的硬件電路以支持精細地并行處理操作,因為該處理器用于分配系統(tǒng)中多個并行操作,所以這樣的設(shè)計可以盡可能地提高并行操作的轉(zhuǎn)換效率。降低并行操作轉(zhuǎn)換時間的一般方法是添加寄存器窗口。CPU 集成多個寄存器組,無需每

9、次操作轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都要寫進存儲器,只需要簡單地保存在空的寄存器組中。 圖1通用無線節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖和典型的微控制器設(shè)計一樣,數(shù)據(jù)通路是通過共享的內(nèi)部總線和系統(tǒng)中其他的組件相連接。存儲器、I/O 口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)時鐘和硬件加速器都是通過這樣的內(nèi)部總線相連的。通過利用高速、低等待時間的內(nèi)部總線,數(shù)據(jù)能方便地在處理器、存儲器和外圍設(shè)備之間傳送。除了允許CPU 和其他外圍設(shè)備相連之外,這些內(nèi)部總線還可以使外圍設(shè)備之間相互連接。連接在內(nèi)部總線上的外圍設(shè)備能夠直接從存儲器子系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù),也可以將數(shù)據(jù)送到UAR T 外圍設(shè)備。這樣的系統(tǒng)具有很高的靈活性,其中的數(shù)據(jù)編碼外圍設(shè)備能夠直接從存儲器取出數(shù)據(jù),然后

10、將取得的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)傳送加速器,如射頻信道的調(diào)制器。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的CPU 只是簡單地規(guī)劃數(shù)據(jù)傳送任務(wù),并不直接處理數(shù)據(jù)。在共享的內(nèi)部總線上所有設(shè)備都是通過一個共享的存儲器接口進行操作。每個設(shè)備都能控制映射在共享地址空間的結(jié)構(gòu)。其各個不同操作專用的共享地址空間可以動態(tài)地滿足多種應(yīng)用的需求。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于采用了專用硬件加速器,相對于一般數(shù)據(jù)通路的低效率操作,這些硬件加速器可以高效地執(zhí)行底層操作,每一個加速器都支持針對于無線網(wǎng)絡(luò)通信的操作,通過提高這些操作的效率,系統(tǒng)整體的功耗會大大降低。另外需要重點說明的就是這些硬件加速器僅僅是針對于通信的底層操作,并不包括完整的通信協(xié)議的執(zhí)行,通過簡單地軟件重

11、配置該系統(tǒng)可以同時支持多種通信協(xié)議。硬件加速器也支持那些用于盡可能優(yōu)化無線收發(fā)器功耗的操作,比如起始符號位的檢測和底層數(shù)據(jù)位調(diào)制。其目的還在于最小化硬件的功能,這對于高效地支持應(yīng)用需求、分離通信和處理通道很有必要。雖然硬件加速器是針對底層操作設(shè)計的,并用于支持多種通信協(xié)議,但是這些操作并不是很簡單的。例如用于編密碼的硬件加速器7,它的操作包括取出必要的數(shù)據(jù)并進行加密或解密操作,具體地它可以用于加密通信數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)認證或者確認片外Flash 中存儲數(shù)據(jù)的安全性。當該硬件加速器進行核心加密數(shù)據(jù)操作時,加密的數(shù)據(jù)將暴露給CPU 或者其他的外圍設(shè)備,這是此系統(tǒng)相對于其他保密通信系統(tǒng)的不足之處。但是,該系

12、統(tǒng)是在犧牲了保密特性的基礎(chǔ)上大大增加了系統(tǒng)的靈活性。3通用無線傳感節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)3.1通用無線傳感節(jié)點的設(shè)計在研究通用無線傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文進行了實際無線傳感節(jié)點的設(shè)計。選用單一的中央微控制器處理所有計算操作,同時增加了硬件加速器。選用的硬件加速器可以提高數(shù)據(jù)傳送的波特率和定時的精確度。因為現(xiàn)有商用微控制器的可用接口很有限,所以設(shè)計的節(jié)點只是上述通用結(jié)構(gòu)體系的近似實現(xiàn)。軟件方面利用TinyOS 的并行機制可以實現(xiàn)在單CPU 上運行多線程的任務(wù)8。3. 1.1軟件開發(fā)系統(tǒng)TinyOSTinyOS 是美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的基于事件驅(qū)動的嵌入式開源的專門為無線嵌入式傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)

13、計的網(wǎng)絡(luò)傳感操作系統(tǒng)9,其目標是用最少的硬件支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的并發(fā)密集型操作。TinyOS 的特征是面向組件的結(jié)構(gòu),通過提供一套模塊軟件構(gòu)造工具實現(xiàn),設(shè)計者可以選擇所需要的組件,這樣就可以使嵌入式操作系統(tǒng)1122儀器儀表學(xué)報第27卷在代碼實施要求非常嚴格的情況下做到盡可能的小,文件的大小甚至可以小到200字節(jié)。組件庫包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感驅(qū)動器和數(shù)據(jù)采集工具,這些組件都可以作為進一步開發(fā)的基礎(chǔ),本文選用此操作系統(tǒng)作為節(jié)點的測試和開發(fā)平臺。TinyOS是用NesC編寫的,NesC是一種專門的面向組件的語言,它是專門為嵌入式系統(tǒng)比如嵌入式傳感器設(shè)計的。NesC具有一個與C語言類似的語法,支持

14、Tin2 yOS的并發(fā)模式以及命名,具有連接其他軟件組件的機制。NesC定義了組件的模型,支持事件驅(qū)動系統(tǒng)。這種模型對于簡單的時間流程提供了雙向的接口,同時支持靈活的軟硬件邊界處理。NesC定義了一個簡單的但是很有效的并發(fā)機制,這樣可以讓NesC的編譯器在編譯的時候發(fā)現(xiàn)競爭的數(shù)據(jù),同時可以在資源很有限的情況下實現(xiàn)很好的并發(fā)行為。基于上面的這些性質(zhì),NesC設(shè)計時候具有如下的特點:NesC是一種擴展性的C語言,由于C語言具有高效性,幾乎兼容所有的微控制器,并且C 語言的可讀性很強,同時C語言的掌握者也很多,有助于NesC技術(shù)的推廣;NesC的程序易于整體的程序分析, NesC沒有動態(tài)的內(nèi)存分配,

15、這一限制使整個系統(tǒng)調(diào)用非常簡單并且更加準確;NesC支持并且反映著TinyOS的設(shè)計。3. 1.2硬件設(shè)計該節(jié)點集成了A TMEGA128處理器、CC1000可調(diào)頻無線收發(fā)器10、外部存儲器和通信加速器。應(yīng)用控制器和無線收發(fā)器的直接相連使得其應(yīng)用方式相當靈活。圖2設(shè)計節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖圖2是節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖,主要包括5個主要的模塊:處理器、無線射頻通信、電源管理、I/O擴展和外部存儲器。中央微控制器采用的是At mel的A TMEGA128,主要時鐘由一個外部的8M Hz的晶振提供,處理速度可以達到8百萬條指令每秒(MIPS11。A TMEGA128屬于At mel公司開發(fā)的AVR系列單片機中性能最

16、優(yōu)的8位微控制器,它集成了128Kb的Flash程序存儲器、4Kb靜態(tài)RAM、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個硬件時鐘、48根通用I/O接口、1個通用異步收發(fā)器(UAR T、1個同步串行外設(shè)接口。一般情況下,只是在制造產(chǎn)品固化軟件或者現(xiàn)場維護時需要對嵌入式微控制器進行編程,但是在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中需要隨時對微控制器進行重新編程。本文采用協(xié)處理器對A TMEGA128重新編程。另外為了給每個節(jié)點提供一個唯一的網(wǎng)絡(luò)辨識,每個節(jié)點都采用美信(Maxim公司的單總線硅序列號芯片DS2401,這是一個低功耗的ROM設(shè)備,不需要外接電源12。無線射頻模塊采用CHIPCON公司的集成射頻芯片CC1000,它是一個頻

17、率可調(diào)的單芯片無線收發(fā)器,功耗低且與微控制器的接口和電路簡單,圖3是CC1000的典型應(yīng)用電路圖。外部存儲器采用4Mb的At mel串行FLASH存儲器A T45DB041,用于數(shù)據(jù)的存儲13。選用該存儲器的原因是它的接口簡單且封裝小,主要存儲采集的傳感數(shù)據(jù)和從網(wǎng)絡(luò)接口傳來的臨時程序鏡像。電源管理模塊用于調(diào)節(jié)和供給系統(tǒng)工作電壓,電源采用2節(jié)五號(AA電池,選用Maxim1678直流-直流(DC2DC轉(zhuǎn)換器,提供3.3V直流電,Maxim1678允許的最低輸入電壓為1.1V14。在超低功耗休眠模式下關(guān)閉直流升壓轉(zhuǎn)換器可以降低功耗,但同時無線收發(fā)器將停止工作。I/O擴展子系統(tǒng)采用一個51針的板對板

18、連接器,用于外接各種需要的傳感器板和編程板?？梢詫⑦B接器劃分成5個部分:8個模擬接口、8個電源控制接口、3個脈沖寬度調(diào)制接口、2個模擬比較接口、4個外部中斷接口、1個IIC接口、1個SPI接口、1個串行口和1個對微控制器編程的接口。擴展連接器可以用于對節(jié)點進行編程,與其他設(shè)備進行通信,比如作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的PC機。另外標準的UAR T接口可以控制或提供數(shù)據(jù)給任何具備RS2232協(xié)議的設(shè)備?？膳浣佣喾N傳感器的特點使得該節(jié)點得到了廣泛地應(yīng)用。圖3CC1000的典型應(yīng)用電路3.2節(jié)點的測試試驗節(jié)點的外形尺寸(7.5×4cm略大于2節(jié)AA電池,電路板采用多層板抗干擾設(shè)計。需要說明的是,設(shè)計的第9

19、期吳鍵等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)1123節(jié)點僅僅包括處理器和無線通信模塊的無線通信和處理節(jié)點,并不包括傳感器及其信號調(diào)理部分。試驗中,采用函數(shù)發(fā)生器輸入測試信號的方法模擬輸入的傳感器信號。測試項目主要包括4個方面:功耗、傳輸距離、采樣速率以及無線傳輸速率。3. 2.1功耗測試首先是測試節(jié)點的功耗,采用2節(jié)五號(AA電池供電,在4個節(jié)點上采用TinyOS的Cnt ToLedsAndRf m應(yīng)用組件(每4s傳送1個TOS數(shù)據(jù)包并點亮3個L ED,無線射頻設(shè)定在916M Hz,傳送功率為0dBm,該試驗的工作電流在1015mA左右。表1是節(jié)點采用不同容量電池供電時系統(tǒng)的工作壽命。試驗測得采用

20、容量2×1700mAh的AA電池時節(jié)點連續(xù)工作的時間為170h。如果使得該節(jié)點始終工作在超低功耗的工作狀態(tài)(小于200A,其工作時間超過一年,可以滿足特定應(yīng)用場合對系統(tǒng)壽命的特殊要求。表1節(jié)點采用不同容量電池供電時系統(tǒng)的工作壽命電池容量/(mAh工作壽命/h100098170017030002913. 2.2傳輸距離測試節(jié)點的傳輸距離和功耗密切相關(guān),無線傳輸功率大功耗必定大,但同時其傳輸距離會增加。表2為設(shè)定不同的傳輸功率情況下試驗中所測得的節(jié)點傳輸距離(實驗室環(huán)境。該項測試同樣采用TinyOS的Cnt ToLed2 sAndRf m應(yīng)用組件,以節(jié)點不能接收到數(shù)據(jù)包(即L ED 不閃

21、亮為傳輸距離的判定界限。試驗測得的傳輸距離能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用中對傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離的要求,而且如果在野外空曠環(huán)境進行測試,傳輸距離將會更遠。表2不同的傳輸功率情況下測得的節(jié)點傳輸距離功率P/dBm-20-1005距離L/m7.51127.5333. 2.3無線數(shù)據(jù)采集測試節(jié)點的采樣速率和傳輸速率完全取決于CPU內(nèi)集成的AD轉(zhuǎn)換器的采樣速率和無線收發(fā)器的傳輸速率, A TMEGA128內(nèi)集成AD轉(zhuǎn)換器的采樣速率最高為15ksps(每秒鐘采樣,CC1000的最高傳輸速率為76.8kbit/s(采用曼徹斯特編碼。試驗中利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為250mA的正弦波信號直接輸入至AD 轉(zhuǎn)換器,通過2個節(jié)點

22、間的無線通信將信號直接顯示在PC上(傳輸距離為20m,試驗中采用了TinyOS的示波器顯示程序Oscilloscope(采樣計數(shù)器設(shè)為10,圖5是正弦波頻率為1k Hz時的信號采集波形,可以看出采集的數(shù)據(jù)包能夠很好地恢復(fù)出輸入波形,如果提高采樣的次數(shù)(即降低采樣計數(shù)器的值,能恢復(fù)輸入正弦波的頻率可以達10k Hz,能夠滿足一般應(yīng)用的需求;當需要更高的采樣頻率時,可以考慮外接高速的AD轉(zhuǎn)換器。 上述針對功耗、傳輸距離、采樣速率以及無線傳輸速率的測試表明,本文所研制的智能無線傳感節(jié)點完全達圖5正弦波頻率為1k Hz時的信號采集波形到了設(shè)計要求,所提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法是可行的,依據(jù)該方法可以

23、提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研制效率。4結(jié)論在研究無線傳感器節(jié)點通用體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一個通用無線傳感節(jié)點,其硬件系統(tǒng)選用單一的中央微控制器A TMEGA128處理所有計算操作,無線通信模塊采用單芯片可調(diào)頻射頻芯片CC1000,電路采用4層印刷電路板抗干擾設(shè)計。軟件開發(fā)平臺采用專用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開放源代碼操作系統(tǒng)TinyOS。在此系統(tǒng)上完成了節(jié)點的測試試驗,結(jié)果表明,該節(jié)點的功耗、傳輸距離、采樣速率以及無線傳輸速率都滿足一般的應(yīng)用要求,該設(shè)計方法可以提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研制效率,提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和開發(fā)效率,加快無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用速度。參考文獻1ROM E K.Time synchro

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