采用片上系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)下一代低功耗自動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)

　　隨著物理感應(yīng)越來越普及，高精度高效無線傳感器和通信節(jié)點(diǎn)也變得越發(fā)重要。無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一種包含傳感器、調(diào)節(jié)電路和數(shù)據(jù)通信等基本元件的平臺(tái)。一系列節(jié)點(diǎn)在空間內(nèi)分布開來，協(xié)作感應(yīng)并傳輸數(shù)據(jù)，從而形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到許多器件之中，已經(jīng)成為我們生活環(huán)境的一部分。許多電子產(chǎn)品都配備了不同的傳感器，傳感器數(shù)據(jù)可用于滿足各種需求。舉例來說，手機(jī)內(nèi)的加速計(jì)就能跟蹤我們的動(dòng)作，而汽車輪胎內(nèi)的壓力傳感器則能確保胎壓處于最佳狀態(tài)。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一種新興的應(yīng)用，而能耗是這種應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模成功部署依賴于分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、無線通信等眾多領(lǐng)域的發(fā)展，特別是低功耗電路設(shè)計(jì)的發(fā)展顯得尤為重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用涵蓋工業(yè)、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、生態(tài)監(jiān)控以及農(nóng)業(yè)資源管理等領(lǐng)域?！　?/p>

 

　　通用型無線傳感器節(jié)點(diǎn)　　

圖 2：簡(jiǎn)單通用型無線傳感器節(jié)點(diǎn)的方框圖

　　通用型無線傳感器節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)處理器。該處理器是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)的各種感應(yīng)活動(dòng)，并安排數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。編程到處理器中的算法集成了協(xié)作感應(yīng)和能量管理控制等特性。傳感器構(gòu)成了采集系統(tǒng)，然后需要處理器完成處理和控制工作。整個(gè)系統(tǒng)可用電池供電，也可以通過存儲(chǔ)收集到的能量進(jìn)行供電。由于所需的電壓不同，需要對(duì)低壓輸入進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換，因此系統(tǒng)還要包含調(diào)節(jié)器。收集到的數(shù)據(jù)必須定期無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，并由數(shù)據(jù)中心通過 RF 或 GSM 將數(shù)據(jù)上傳到因特網(wǎng)。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的一般要求：

　　1. 低能耗：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模通常較大，因此電池更換工作非常困難。在此情況下，節(jié)點(diǎn)處理必須實(shí)現(xiàn)低功耗和高能效?？梢允褂媚芰渴占椒▽?shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自我維持。

　　2. 自我修復(fù)結(jié)構(gòu)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不應(yīng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作造成明顯影響。通過其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的支持，應(yīng)該能夠方便地進(jìn)行調(diào)試和修復(fù)。通信故障的影響應(yīng)當(dāng)最小化，在此情況下，備份控制機(jī)制應(yīng)當(dāng)發(fā)揮作用，以避免寶貴數(shù)據(jù)丟失。

　　3. 高穩(wěn)健性：由于節(jié)點(diǎn)部署在各種不同的惡劣物理?xiàng)l件下，所以應(yīng)當(dāng)確保能夠長(zhǎng)期準(zhǔn)確地運(yùn)行，且不會(huì)產(chǎn)生任何問題。

　　未來的挑戰(zhàn)：

　　● 典型節(jié)點(diǎn)尺寸已經(jīng)從最初的幾立方厘米減小到 1 立方厘米以下。尺寸主要由能量存儲(chǔ)和收集器決定。
　　● 系統(tǒng)不同部分的功率分布應(yīng)確保高效性。
　　● 此外，擴(kuò)展性問題也會(huì)影響存儲(chǔ)元件以及采集傳感器的大小，這關(guān)系到轉(zhuǎn)換效率問題。電池尺寸同樣也要不斷縮小。
　　● 待機(jī)工作模式非常重要，因此漏電流/靜態(tài)耗電性能已成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　● 節(jié)點(diǎn)通常在各種非理想的物理?xiàng)l件下工作。因此只有對(duì)實(shí)際條件下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入徹底地鑒定和調(diào)查才能確保無線節(jié)點(diǎn)的成功部署。