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无线网络设备--传感器设计综述2


2 典型无线传感器网络节点比较

目前,国内外研究人员已经开发出多种无线传感器网络节点,其实这些节点的组成部分是类似的,只是其应用背景不同,对节点性能的要求也不尽相同,因此所采用的硬件组件有很大差异。

2.1处理器单元

处理器单元是传感器网络节点的核心,和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。EM6603是4位微控制器,功耗很低,但处理能力也非常有限。Berkerly大学研制的Miea系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。其中,Mica2节点采用Atmel增强型微控制器ATmegal28L。该微控制器拥有丰富的片上资源,包括4个定时器、4KBSRAM、128KBFlash和4KBEEPROM,拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口,方便无线芯片和传感器的接入;有6种电源节能模式,方便低功耗设计。采用该处理器的另外一个优点足:编译器很多,其中GCC(WINAVR)是完全免费、开放的软件。由于以上优点和Mica2节点的影响,在实际的无线传感器设计中应用很多。但是从低功耗角度来讲,该芯片并不是最佳选择。

如表1所列,就低功耗而言,MSP430FlxxMCU系列提供业界较低的电流消耗,工作电压为1.8V,实时时钟待机电流的消耗仪为1.1μA,而运行模式电流低至300μA(1MHz),从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6μs。PIC系列微控制器也有低功耗的产品问世。Toles节点和ZebraNet节点就是采用MSP430系列的微控制器,功耗非常低。在某些数据量大的应用中,高端的处理器也有应用。例如μAMPS-1节点采用StrongARM处理器SA-1110,功耗为27~976mW。该处理器支持DVS节能,可以降低功耗450mW左右;关掉无线模块功耗可以降低300mW。μAMPS-2采用的处理器是DSP。XYZnode采用的处理器是OKI公司的ARMTDMI内核的ML67Q5002,该处理器也支持DFS(动态频率调节),工作电流为15~72mA,频率为1.8~57.6MHz。

从处理器的角度看,无线传感器网络节点基本可以分为两类:一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多,多数支持DVS(动态电压调节)或DFS(动态频率调节)等节能策略,但是其处理能力也强很多,适合图像等高数据量业务的应用;此外.采用高端处理器来作为网关节点也是不错的选择。表2中最后3款处理器足ARM内核的处理器,功耗明显比低端微控制器高很多。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱,但是能量消耗功率也很小。在选择处理器时应该首先考虑系统对处理能力的需要,然后再考虑功耗问题。

2.2无线传输技术及芯片

可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等,常用的无线通信技术有:802.11b、802.15.4(ZigBee)、BitIetooth、UWB、RFID、lrDA等}还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义,这些芯片一般工作在ISM免费频段,如表3所列。利用激光作为传输媒体,功耗比用电磁波低,更安全。缺点是:只能直线传输;易受大气状况影响;传输具有方向性。这些缺点决定这不是一种理想的传输介质。红外线的传输也具有方向性,距离短,不需要天线。芯片83F88S是一种符合IrDA标准的无线收发芯片。UWB具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数cm的定位精度等优点;缺点是传输距离只有lOm左右,隔墙穿透力不好。802.11b因为功耗高而应用不多,Bluetooth工作在2.4GHz频段,传输速率可达10Mbps;缺点是传输距离只有10m左右,完整协议栈有250KB,不适合使用低端处理器,多用于家庭个人无线局域网,在无线传感器网络中也有所应用。在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,完整的协议栈只有32KB,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。目前市场上常见的支持ZigBee协议的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半导体公司,Figure8公司还专门开发了ZigBee协议栈。Chipcon公司的CC2420芯片应用较多,Toles节点和XYZ节点都是采用该芯片;Chipcon公司提供包含Figure8公司开发的ZigBee协议的完整开发套件。Freescale半导体公司提供ZigBee的2.4GHz无线传输芯片有MCl3191、MC13192、MCl3193;该公司还提供配套的开发套件。


普通的射频芯片也是一种理想的选择,可以自定义通信协议,比较有代表性的MAC协议有T-MAC、S-MA、CWise-MAC、B-MAC、D-MAC等。路由协议有Gossi-ping、SPIN协议、LEACH协议、TEEN协议等。从性能、成本、功耗方面考虑,RFM公司的TRl000和Chipcon公司的CCl000是理想的选择。这两种芯片各有所长,TRl000功耗低一些,CCl000灵敏度高一些,传输距离更远。WeC、Renee和Mica节点均采用TRl000芯片;Mica2采用CCl000芯片;Mica3采用Chipcon公司的CCl020芯片,传输速率可达153.6kbps,支持OOK、FSK和GIFSK调制方式;Micaz节点则采用CC2420ZigBee芯片。还有一类无线芯片本身集成了处理器,例如CC2430是在CC2420的基础上集成了51内核的单片机;CCl010是在CCl000的基础上集成了5l内核的单片机,使得芯片的集成度进一步提高。WiseNet节点采用的是CCl010芯片。常见的无线芯片还有Nordic公司的nRF905、nRF2401等系列芯片,因为功耗较高,接收灵敏度比较低,开发难度较大,在实际的无线传感器网络中应用较少。常用无线芯片的主要参数比较如表4所列。

2.3电源模块

电池种类很多,电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换,所以选择电池非常重要,DC-DC模块的效率也至关重要}另外,还可以利用自然界的能源来补充电池的能量。

按照能否充电,电池可分为可充电电池和不可充电电池;根据电极材料,电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高,如果没有能量补给来源,则应选择不可充电电池。在可充电电池中,锂电池和锂聚合物电池的能量密度最高,但是成本也比较高;镍锰电池和锂聚合物电池是唯一没有毒性的可充电电池。常见电池的性能参数如表5所列。无线传感器网络节点一般工作在户外,可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。由于可充电电池的次数是有限的,而且大多数可充电电池有记忆效应,因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电,否则会大大缩短电池的使用寿命。

2.4传感器模块

传感器种类很多,可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量。美国Crossbow公司基于Mica节点开发了一系列传感器板,采用的传感器有光敏电阻ClairexCL94L、温敏电阻ERT-J1VRl03J(松下电子公司)、加速度传感器ADIADXL202、磁传感器Honeywe11HMC1002等。温湿度传感器SHTxx系列能支持低功耗模式,采集完数据后自动转入休眠模式,电流小于lμA。

传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器(几百μA),可由处理器I/O口直接驱动;当不用该传感器时,将I/O口设置为输入方式。这样外部传感器没有能量输入,也就没有能量消耗,例如温度传感器DSl8820可以采用这种方式。对于大电流工作的传感器模块,I/O口不能直接驱动传感器,通常使用场效应管(如Irlml6402)来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时,通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制,MAX4678就是这样一款芯片。

3 结论

由于应用背景不同,目前国内外存在很多硬件平台,采用的无线通信技术也有很多种。本文主要总结了目前常见的无线传感器网络硬件平台,分析比较了常用的处理器、无线芯片、无线通信技术、传感器和电源,并始终把功耗作为考虑的重要比较因素之一。通过对无线传感器网络硬件平台的详细分析,期望能对我国的无线传感器网络的研究和发展起到积极作用。

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