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          無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
          日期:2024年05月09日     新聞分類(lèi): 技術(shù)中心      瀏覽:569次

          引言

          無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless SensorNetwork)是一種由傳感器節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò ),能夠實(shí)時(shí)地監測、感知和采集節點(diǎn)部署區的觀(guān)察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象),并對這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送出去,通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )*終發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在**偵察、環(huán)境監測、醫療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。


          在傳感器網(wǎng)絡(luò )中,傳感器節點(diǎn)具有端節點(diǎn)和路由的功能:一方面實(shí)現數據的采集和處理;另一方面實(shí)現數據的融合和路由,對本身采集的數據和收到的其他節點(diǎn)發(fā)送的數據進(jìn)行綜合,轉發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)往往個(gè)數有限,而且常常能量能夠得到補充;網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式(如Internet、衛星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )等)與外界通信。而傳感器節點(diǎn)數目非常龐大,通常采用不能補充的電池提供能量;傳感器節點(diǎn)的能量一旦耗盡,那么該節點(diǎn)就不能進(jìn)行數據采集和路由的功能,直接影響整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的健壯性和生命周期。因此,傳感器網(wǎng)絡(luò )主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。具體應用不同,傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計也不盡相同,但是其基本結構是 一樣的。


          1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )典型節點(diǎn)

          傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)作為一種微型化的嵌入式系統,構成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎層支撐平臺。因為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )大部分是采用電池供電,工作環(huán)境通常比較惡劣,而且數量大,更換電池非常困難,所以低功耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )*重要的設計準則之一,從無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )各層的協(xié)議設計都把節能作為設計的目標之一,盡可能延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的壽命。

          由于具體的應用背景不同,目前國內外出現了多種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件平臺。典型的節點(diǎn)包括Mica系列、SensoriaWINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。實(shí)際上各平臺*主要的區別是采用了不同的處理器、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和與應用相關(guān)的不同的傳感器。常用的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定義協(xié)議;處理器從4位的微控制器到32位ARM內核的**處理器都有所應用。還有一類(lèi)節點(diǎn)是用集成了無(wú)線(xiàn)模塊的單片機,典型的是WiseNet。典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)如表1所列。

          本文介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的概念、特點(diǎn)以及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成,重點(diǎn)分析比較節點(diǎn)各組成單元各種常用芯片的特點(diǎn),并且始終將低功耗作為比較的重要標準之一。


          2 典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)比較

          目前,國內外研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn),其實(shí)這些節點(diǎn)的組成部分是類(lèi)似的,只是其應用背景不同,對節點(diǎn)性能的要求也不盡相同,因此所采用的硬件組件有很大差異。

          2.1 處理器單元

          處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的核心,和其他單元一起完成數據的采集、處理和收發(fā)。EM6603是4位微控制器,功耗很低,但處理能力也非常有限。Berkerly大學(xué)研制的Mica系列節點(diǎn)大多是采用Atmel公司的微控制器。其中,Mica2節點(diǎn)采用Atmel增強型微控制器ATmega128L。該微控制器擁有豐富的片上資源,包括4個(gè)定時(shí)器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KBEEPROM,擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口,方便無(wú)線(xiàn)芯片和傳感器的接入;有6種電源節能模式,方便低功耗設計。采用該處理器的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:編譯器很多,其中GCC(WINAVR)是完全免費、開(kāi)放的軟件。由于以上優(yōu)點(diǎn)和Mica2節點(diǎn)的影響,在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器設計中應用很多。但是從低功耗角度來(lái)講,該芯片并不是*佳選擇。

          就低功耗而言,MSP430F1xxMCU系列提供業(yè)界較低的電流消耗,工作電壓為1.8 V,實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機電流的消耗僅為 1.1 μA,而運行模式電流低至 300 μA(1 MHz),從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過(guò)程僅需6μs。PIC系列微控制器也有低功耗的產(chǎn)品問(wèn)世。Toles節點(diǎn)和ZebraNet節點(diǎn)就是采用MSP430系列的微控制器,功耗非常低。在某些數據量大的應用中,**的處理器也有應用。例如μAMPS1節點(diǎn)采用StrongARM處理器SA1110,功耗為27~976mW。該處理器支持DVS節能,可以降低功耗450 mW左右;關(guān)掉無(wú)線(xiàn)模塊功耗可以降低300mW。μAMPS2采用的處理器是DSP。XYZnode采用的處理器是OKI公司的ARMTDMI內核的ML67Q5002,該處理器也支持DFS(動(dòng)態(tài)頻率調節),工作電流為15~72mA,頻率為1.8~57.6 MHz。

          從處理器的角度看,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)基本可以分為兩類(lèi):一類(lèi)采用以ARM處理器為代表的**處理器。該類(lèi)節點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多,多數支持DVS(動(dòng)態(tài)電壓調節)或DFS(動(dòng)態(tài)頻率調節)等節能策略,但是其處理能力也強很多,適合圖像等高數據量業(yè)務(wù)的應用;此外,采用**處理器來(lái)作為網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)也是不錯的選擇。表2中*后3款處理器是ARM內核的處理器,功耗明顯比低端微控制器高很多。另一類(lèi)是以采用低端微控制器為代表的節點(diǎn)。該類(lèi)節點(diǎn)的處理能力較弱,但是能量消耗功率也很小。在選擇處理器時(shí)應該首先考慮系統對處理能力的需要,然后再考慮功耗問(wèn)題。

          各種常見(jiàn)的微控制器性能比較

          2.2 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)及芯片

          可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等,常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有:802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等;還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶(hù)自己定義,這些芯片一般工作在ISM免費頻段,如表3所列。利用激光作為傳輸媒體,功耗比用電磁波低,更**。缺點(diǎn)是:只能直線(xiàn)傳輸;易受大氣狀況影響;傳輸具有方向性。這些缺點(diǎn)決定這不是一種理想的傳輸介質(zhì)。紅外線(xiàn)的傳輸也具有方向性,距離短,不需要天線(xiàn)。芯片83F88S是一種符合IrDA標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。UWB具有發(fā)射信號功率譜密度低、系統復雜度低、對信道衰落不敏感、**性好、數據傳輸率高、能提供數cm的定位精度等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是傳輸距離只有10m左右,隔墻穿透力不好。802.11b因為功耗高而應用不多,Bluetooth工作在2.4 GHz頻段,傳輸速率可達10Mbps;缺點(diǎn)是傳輸距離只有10 m左右,完整協(xié)議棧有250KB,不適合使用低端處理器,多用于家庭個(gè)人無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中也有所應用。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中應用*多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),完整的協(xié)議棧只有32KB,可以嵌入各種設備中,同時(shí)支持地理定位功能。以上特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的支持ZigBee協(xié)議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導體公司,Figure8公司還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了ZigBee協(xié)議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應用較多,Toles節點(diǎn)和XYZ節點(diǎn)都是采用該芯片;Chipcon公司提供包含Figure8公司開(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議的完整開(kāi)發(fā)套件。Freescale半導體公司提供ZigBee的2.4GHz無(wú)線(xiàn)傳輸芯片有MC13191、MC13192、MC13193;該公司還提供配套的開(kāi)發(fā)套件。

          應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

          普通的射頻芯片也是一種理想的選擇,可以自定義通信協(xié)議,比較有代表性的MAC協(xié)議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC等。路由協(xié)議有Gossiping、SPIN協(xié)議、LEACH協(xié)議、TEEN協(xié)議等。從性能、成本、功耗方面考慮,RFM公司的TR1000和Chipcon公司的CC1000是理想的選擇。這兩種芯片各有所長(cháng),TR1000功耗低一些,CC1000靈敏度高一些,傳輸距離更遠。WeC、Renee和Mica節點(diǎn)均采用TR1000芯片;Mica2采用CC1000芯片;Mica3采用Chipcon公司的CC1020芯片,傳輸速率可達153.6 kbps,支持OOK、FSK和GFSK調制方式;Micaz節點(diǎn)則采用CC2420ZigBee芯片。還有一類(lèi)無(wú)線(xiàn)芯片本身集成了處理器,例如CC2430是在CC2420的基礎上集成了51內核的單片機;CC1010是在CC1000的基礎上集成了51內核的單片機,使得芯片的集成度進(jìn)一步提高。WiseNet節點(diǎn)采用的是CC1010芯片。常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)芯片還有Nordic公司的nRF905、nRF2401等系列芯片,因為功耗較高,接收靈敏度比較低,開(kāi)發(fā)難度較大,在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中應用較少。常用無(wú)線(xiàn)芯片的主要參數比較如表4所列。

          常用無(wú)線(xiàn)芯片主要參數比較

          2.3  電源模塊

          電池種類(lèi)很多,電池儲能大小與形狀、活動(dòng)離子的擴散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電池一般不易更換,所以選擇電池非常重要,DCDC模塊的效率也至關(guān)重要;另外,還可以利用自然界的能源來(lái)補充電池的能量。

          按照能否充電,電池可分為可充電電池和不可充電電池;根據電極材料,電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池和鋰電池、鋰聚合物電池等。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高,如果沒(méi)有能量補給來(lái)源,則應選擇不可充 電電池。在可充電電池中,鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度*高,但是成本也比較高;鎳錳電池和鋰聚合物電池是**沒(méi)有毒性的可充電電池。常見(jiàn)電池的性能參數如表5所列。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般工作在戶(hù)外,可以利用自然能源來(lái)補給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽(yáng)能、電磁能、振動(dòng)能、核能等。由于可充電電池的次數是有限的,而且大多數可充電電池有記憶效應,因此利用自然界的能量不能頻繁對電池充電,否則會(huì )大大縮短電池的使用壽命。

          常見(jiàn)電池的性能參數

          2.4  傳感器模塊

          傳感器種類(lèi)很多,可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度等物理量。美國Crossbow公司基于Mica節點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一系列傳感器板,采用的傳感器有光敏電阻ClairexCL94L、溫敏電阻ERTJ1VR103J(松下電子公司)、加速度傳感器ADI ADXL202、磁傳感器HoneywellHMC1002等。溫濕度傳感器SHTxx系列能支持低功耗模式,采集完數據后自動(dòng)轉入休眠模式,電流小于1 μA。

          傳感器電源的供電電路設計對傳感器模塊的能量消耗來(lái)說(shuō)非常重要。對于小電流工作的傳感器(幾百μA),可由處理器I/O口直接驅動(dòng);當不用該傳感器時(shí),將I/O口設置為輸入方式。這樣外部傳感器沒(méi)有能量輸入,也就沒(méi)有能量消耗,例如溫度傳感器DS18B20可以采用這種方式。對于大電流工作的傳感器模塊,I/O口不能直接驅動(dòng)傳感器,通常使用場(chǎng)效應管(如Irlm16402)來(lái)控制后級電路能量輸入。當有多個(gè)大電流傳感器接入時(shí),通常使用集成的模擬開(kāi)關(guān)芯片來(lái)實(shí)現電源控制,MAX4678就是這樣一款芯片。


          3  結論

          由于應用背景不同,目前國內外存在很多硬件平臺,采用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)也有很多種。本文主要總結了目前常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺,分析比較了常用的處理器、無(wú)線(xiàn)芯片、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、傳感器和電源,并始終把功耗作為考慮的重要比較因素之一。通過(guò)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺的詳細分析,期望能對我國的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和發(fā)展起到積極作用。

          參考文獻

          [1]  孫利民,李建中,等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ). 北京:清華大學(xué)出版社,

          版權所有: 山西科達自控股份有限公司 備案號:晉ICP備09004627號-2   

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