設(shè)計(jì)一個低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

    借助SOC技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體積就可以大大減小，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍不斷擴(kuò)大。
   
　　計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yīng)  
用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)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(luò)技術(shù)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(luò)走向現(xiàn)實(shí)，必須從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、通信協(xié)議到應(yīng)用研究等各方面進(jìn)行深入的研究。我們將介紹一種較實(shí)用低成本的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，希望給國內(nèi)同行一定的啟發(fā)。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

   無線傳感網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面有別于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)（如WLAN和蜂窩移動電話等），后者要不應(yīng)用于高度移動的環(huán)境中，要不就是強(qiáng)調(diào)資源管理策略和服務(wù)質(zhì)量保證（QOS）。而在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往是相對穩(wěn)定的或者靜止的，而且通常運(yùn)行在十分復(fù)雜的外界環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)的密集程度較高且分布隨機(jī)。其大部分應(yīng)用都是需要通過電池進(jìn)行供電，所以電源供電和功耗問題是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)的核心問題。

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，目前，人們普遍認(rèn)為：無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(luò)中不應(yīng)該存在專門的路由器節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)既是終端節(jié)點(diǎn)，又是路由器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機(jī)制進(jìn)行通信。因此，在單個的節(jié)點(diǎn)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(luò)應(yīng)用需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無線通信協(xié)議?；谶@些基本的思想，我們設(shè)計(jì)了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并在實(shí)際中得到了應(yīng)用，而且也提出了一些新的設(shè)計(jì)思路和一些有待進(jìn)一步研究解決的問題。

   無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)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(diǎn)伸入自然界的觸角，它主要負(fù)責(zé)信息的采集并將其他如光信號、電信號、化學(xué)信號轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的安全可靠的無線通信協(xié)議；第三部分的射頻模塊負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，即通信的物理實(shí)現(xiàn)。

   無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的軟件任務(wù)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(shè)備管理、低功耗分布式處理等，核心結(jié)構(gòu)層主要包括了內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、中斷管理等內(nèi)容。實(shí)際上，純粹的硬件設(shè)計(jì)或是軟件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如低功耗設(shè)計(jì)往往是需要二者的配合才能達(dá)到理想的效果。圖3中給出了中科院計(jì)算所自行設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)廣泛的應(yīng)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(yīng)﹑壓力）。為了調(diào)試方便及可擴(kuò)展性，我們將傳感器板獨(dú)立出來，做成兩塊能相互套接的可擴(kuò)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(kuò)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(jì)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(yīng)用場合。

   無線收發(fā)器CC1000是為低電壓無線通信的應(yīng)用場合設(shè)計(jì)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(diǎn)外，還具有輸出強(qiáng)度和收發(fā)頻率可編程的特點(diǎn)。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(yīng)用場合。

   在傳感器方面，我們選用了一些當(dāng)今應(yīng)用最為常見的傳感器，傳感器的電路部分設(shè)計(jì)較為簡單，關(guān)鍵是需要控制傳感器的能耗，通過在設(shè)計(jì)上采用power gating技術(shù)，以達(dá)到在無數(shù)據(jù)采集任務(wù)時及時關(guān)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(fù)充電使用的Nicd電池。在未來，我們準(zhǔn)備對電源部分進(jìn)行改造，采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。

   除了這些無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需的最基本功能模塊之外，我們還設(shè)計(jì)了硬件ID標(biāo)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(shí)現(xiàn)。

軟件設(shè)計(jì)
   在軟件的設(shè)計(jì)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(shí)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(wù)實(shí)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(wù)，其中用戶最多可以使用56個任務(wù)。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(shí)時性優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(shù)支持，系統(tǒng)的更新、功能擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了uc/osII在ATMEGA128L上的移植，而且針對硬件電路和應(yīng)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(shí)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(yīng)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?yàn)樗苯雨P(guān)系到節(jié)點(diǎn)的性能，目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議還沒有定論，許多問題仍然在學(xué)術(shù)界進(jìn)行研究。因此，在鏈路層，我們設(shè)計(jì)了一個簡化的CDMA/CA協(xié)議，即任何節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前必須進(jìn)行一段隨機(jī)時間的偵聽，在確認(rèn)目前沒有別的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時才進(jìn)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(guān)閉偵聽功能，以盡可能降低功耗。當(dāng)然，這種協(xié)議存在著隱含節(jié)點(diǎn)以及偵聽時的功耗損失等問題，但在一定的節(jié)點(diǎn)數(shù)量范圍內(nèi)還是很有效的。在網(wǎng)絡(luò)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(luò)的發(fā)展提供了很好的支持。

   應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)相對比較簡單，主要是任務(wù)間的協(xié)作，根據(jù)具體的應(yīng)用場合，應(yīng)用層軟件也是有所不同的。
     
   從我們對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際研制過程可以看到：無線傳感網(wǎng)絡(luò)要能達(dá)到理想的性能指標(biāo)，首先必須依賴SOC技術(shù)和MEMS技術(shù)，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(diǎn)的體積，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍。其次，無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的性能是制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。

   隨著SOC和無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的開展，預(yù)料在不久的將來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)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。