無線傳感網(wǎng)硬件平臺設(shè)計課件

1、無線傳感網(wǎng)硬件平臺設(shè)計無線傳感網(wǎng)硬件平臺設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點設(shè)計1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計技術(shù)概述2 中央處理模塊3 高頻無線通信模塊4 傳感模塊 5 能量供應(yīng)模塊 6 節(jié)點外圍功能模塊7 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點1無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點設(shè)計1 無線傳感器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗硬件設(shè)計21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題2 MEMS技術(shù)基本原理3 MEMS通信設(shè)計原理4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件功能模塊設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗硬件設(shè)計21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點設(shè)計技術(shù)概述一、 硬件設(shè)計特點與要求 （1）輕量化 （2）擴(kuò)展性和靈活性 （3

2、）穩(wěn)定性和安全性 （4）低成本二、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的主要組成 （1） 普通傳感器節(jié)點 （2） 匯聚節(jié)點 （3） 網(wǎng)關(guān)節(jié)點1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點設(shè)計技術(shù)概述一、 硬件設(shè)計特點與三、 節(jié)點基本構(gòu)架 應(yīng)用系統(tǒng)層嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核層設(shè)備驅(qū)動層功能部件層為終端用戶提供了面向應(yīng)用的系統(tǒng)控制方式與工作方法。在設(shè)備與應(yīng)用之間建立連接，提供軟硬件系統(tǒng)調(diào)用的方式，同時為上層應(yīng)用提供功能服務(wù)。為底層物理部件提供設(shè)備驅(qū)動功能與策略。整個節(jié)點的硬件基礎(chǔ)。包括所有硬件模塊組成與系統(tǒng)底層調(diào)用的集合。 三、 節(jié)點基本構(gòu)架 應(yīng)用系統(tǒng)層嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核層設(shè)備驅(qū)動層功能2 中央處理模塊一、功能概述（1）接收來自各類型傳感器的

3、測量數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理，交由無線通信模塊發(fā)送。（2）讀取無線通信模塊接收到的數(shù)據(jù)和控制信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實現(xiàn)對其它模塊的控制。（3）實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種算法和協(xié)議，如MAC協(xié)議、路由協(xié)議、定位算法等。二、設(shè)計需求 （1） 體積盡量小 （2） 集成度盡量高 （3） 要有足夠的外部通用I/O端口和通信接口 （4） 成本盡量低 （5) 低功耗且支持睡眠模式 （6）運(yùn)行速度要盡量快2 中央處理模塊三、時鐘系統(tǒng)1、時鐘系統(tǒng)概述 時鐘系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的重要組成部分，同節(jié)點的工作頻率直接相關(guān)，并貫穿于傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息交互及程序燒寫等多個過程。2、典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時鐘系統(tǒng)組成部分 C

4、PU核心時鐘。CPU核心時鐘與操作微處理器內(nèi)核的子系統(tǒng)（如通用工作寄存器文件、狀態(tài)寄存器及保存堆棧指針的數(shù)據(jù)存儲器）相連。 I/O時鐘。I/O時鐘用于主要的I/O模塊（如定時器/計數(shù)器、SPI和USART）。 Flash時鐘。Flash時鐘控制Flash接口操作。這個時鐘通常與CPU核心時鐘同步。異步定時器時鐘。異步定時器時鐘允許異步定時器/計數(shù)器直接由外部32kHz時鐘晶體驅(qū)動，使得此定時器/計數(shù)器即使在睡眠模式下仍然可以為系統(tǒng)提供一個實時時鐘。 ADC時鐘。ADC具有專門的時鐘，這樣可以在ADC工作時停止CPU和I/O時鐘以降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，從而提高ADC轉(zhuǎn)換精度三、時鐘系統(tǒng)四、模數(shù)

5、轉(zhuǎn)換模塊 節(jié)點內(nèi)部一般都集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換部件。以Mica2節(jié)點為例，其內(nèi)部集成了一個10位的逐次逼近型的ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。五、典型的中央處理模塊 當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中使用較多的處理器有ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)，而TI公司的MSP430超低功耗系列處理器，不僅功能完整、集成度高，而且能夠根據(jù)存儲容量的多少提供多種引腳兼容，使開發(fā)者很容易根據(jù)應(yīng)用對象平滑升級系統(tǒng)。在新一代無線傳感器節(jié)點Telos中使用的就是這種處理器。 作為2000年以來32位嵌入式處理器市場中紅極一時的嵌入式ARM處理器，極有可能成為下一代無線傳感

6、器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的考慮對象。四、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3 高頻無線通信模塊一、工作狀態(tài) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高頻無線通信模塊包括發(fā)送、接收、空閑、睡眠4種工作狀態(tài)，其中，空閑狀態(tài)時需要節(jié)點監(jiān)聽無線信道，檢查信道中是否有自己要接收的數(shù)據(jù)；在睡眠狀態(tài)時則需要關(guān)閉無線通信模塊。 圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點各部分能耗3 高頻無線通信模塊二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信芯片的選擇 隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信芯片的體積越來越小，價格也越來越低，這也更符合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型化和低成本的要求。所以，在無線通信芯片的選擇中就要更加關(guān)注于芯片的性能，包括載波頻段、工作電壓、傳輸距離等。 二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信芯片的選擇4

7、傳感模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感模塊傳統(tǒng)意義上的傳感器一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分。傳感器的工作原理一般是；首先，將測到物理量的變化通過各種機(jī)制轉(zhuǎn)換成電阻、電容或者電感變化；隨后，這些電子特性變化通過轉(zhuǎn)換電路（如阻橋電路）轉(zhuǎn)換成電壓信號；接著，電壓信號經(jīng)過積分電路、放大電路進(jìn)行整形處理；最后，采集電路（ADC）將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。4 傳感模塊傳統(tǒng)意義上的傳感器一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩5 能量供應(yīng)模塊 為了盡可能降低節(jié)點的能耗，延長其使用壽命，設(shè)計過程中，可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇多種靈活的工作模式，配置各種可選的電源管理方案。具體包括如下幾種模式。（1）空閑模式（2）AD

8、C噪聲抑制模式（3）掉電模式（4）省電模式（5）等待模式5 能量供應(yīng)模塊 為了盡可能降低節(jié)點的能耗，延長6 節(jié)點外圍功能模塊一、串行Flash模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理器模塊內(nèi)部一般都有一定容量的存儲空間。 典型傳器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點外部存儲模塊原理圖如10-20所示。6 節(jié)點外圍功能模塊二、信號指示和報警部件 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信號指示和報警部件主要是指其亮燈電路和蜂鳴電路。亮燈電路用來指示節(jié)點的工作狀態(tài)，并可實現(xiàn)部分傳感信息的通告（如火災(zāi)報警、溫度超標(biāo)報警等）。另外，報警部件也可實現(xiàn)信息通告和事件報警。二、信號指示和報警部件三、外部接口 標(biāo)準(zhǔn)接口 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要想得到廣泛的應(yīng)用，就必須擁有

9、完整、通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，以便于節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展。這里仍以Mica2節(jié)點 為例，該節(jié)點擁有一個51針的通用標(biāo)準(zhǔn)I/O接口，主要用于傳感面板和節(jié)點的連接與信息交互。電路原理圖如圖10-22所示，其實物圖如圖10-23所示。三、外部接口7 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 （1）Smart dust 主要特點： 采用MEMS技術(shù)，體積微小具有長期工作的潛力。 采用光通信方式。 其傳輸?shù)姆较蛐浴o視距阻礙的要求給節(jié)點的部署帶來很大挑戰(zhàn)。 （2） Mica系列節(jié)點 Mica系列節(jié)點是加州大學(xué)伯克利分校研制的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的演示平臺的試驗節(jié)點。產(chǎn)品包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot

10、和Spec等，其中Mica2和Mica2dot節(jié)點已經(jīng)由Crossbow公司包裝生產(chǎn)。7 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（3） Tmote Sky Tmote Sky是MoteIV 公司生產(chǎn)的超低功耗的、高數(shù)據(jù)傳輸率的下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，是由Moteivs Telos Revision B版本改進(jìn)而來，使用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430，通信模塊采用了Chipcon公司支持IEEE 802.15.4協(xié)議的CC2420芯片，可與其它IEEE 802.15.4的設(shè)備協(xié)同工作，250kbit/s的數(shù)據(jù)收發(fā)速率可以使節(jié)點更快完成通信事件的處理，快速休眠，節(jié)省系統(tǒng)能量。（3） Tmote Sk

11、y Tmote Sky是 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別。GSM、WiFi、CDMA等無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是提供盡可能高的服務(wù)質(zhì)量，節(jié)點的能量可以進(jìn)行補(bǔ)充，因此消耗是次要考慮的問題。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點不能補(bǔ)充能量，盡可能延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)。傳感器由部分組成：通信模塊、計算模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊。由于傳感器模塊通常情況下能耗很低，并且可以通過在應(yīng)用的范圍內(nèi)適當(dāng)延長采樣周期，降低采樣精度的方法來降低傳感模塊的能耗，因此通常只考慮計算模塊和通信模塊的能耗問題。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與M

12、EMS技術(shù)基本原理MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。通過微電子技術(shù)和微加工技術(shù)，它可以將機(jī)械組件、驅(qū)動部分、光學(xué)系統(tǒng)和電路控制部分集成為一個完整的微系統(tǒng)。MEMS技術(shù)基本原理MEMS（Micro Electro MMEMS器件采用哪種材料制造？ 由于集成電路的發(fā)展，使得當(dāng)前所能大量生產(chǎn)的單晶硅具有純凈、廉價的優(yōu)勢。 已經(jīng)開發(fā)出的大量針對硅材料的加工和處理技術(shù)已經(jīng)非常成熟。 基于硅的MEMS設(shè)計，提供了集成控制和信號處理電路的潛能。 硅的物理和機(jī)械特

13、性使它在設(shè)計機(jī)械傳感器方面有著很大的優(yōu)勢。MEMS器件采用哪種材料制造？ 由于集成電路的發(fā)展，使得當(dāng)MEMS通信設(shè)計理論一、射頻通信技術(shù) 在設(shè)計必需使用RF技術(shù)的節(jié)點時，采用MEMS技術(shù)能有效地減小收發(fā)器的體積。 天線的大小是RF技術(shù)在無線傳感器節(jié)點的小型化設(shè)計中的最大障礙之一。MEMS技術(shù)目前已經(jīng)被用于不同頻段的平面或三維微型天線中，以提高天線的效率和縮小天線的尺寸。RF技術(shù)由于自身因素的限制，并不適合于小型化的無線傳感器節(jié)點中使用。原因如下。 為了保證某些波段的通信有效性，天線長度會到達(dá)幾厘米，這對節(jié)點的小型化設(shè)計來說是不可接受的。 RF發(fā)射器效率較低。MEMS通信設(shè)計理論RF技術(shù)由于自身

14、因素的限制，并不適合于小二、光通信技術(shù)光通信優(yōu)點： 可用做通信的光源可以很小，如激光二極管等。 發(fā)送效率比RF技術(shù)要高。 可以采用空分復(fù)用的方式進(jìn)行通信，光的指向性可以使傳感器在多個方向進(jìn)行多路傳輸，這比RF技術(shù)的復(fù)用方式更簡單，且效率更高。光通信缺點：依賴于光線的直線傳播，通信距離短，且對定向性要求很高。但是可以利用MEMS技術(shù)和有效的算法來解決這些問題。二、光通信技術(shù)光通信優(yōu)點：光通信缺點：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件功能模塊設(shè)計一、能量存儲單元 希望微電池所能具有的特點如下。 能量密度盡量高。 通過簡單的配置就可以對傳感器的各部件進(jìn)行直接供電，而盡量減少電壓或其它的轉(zhuǎn)換。 在某些條件下具有多次充電使用的能力。 研究現(xiàn)狀： 研究人員已開發(fā)出充電次數(shù)多達(dá)1400次，而且功率比傳統(tǒng)器件高100倍的納米級陽極和陰極