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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計分析（上）
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http://www.china-zesir.com 發(fā)稿日期:2008-5-26
- 【搜索關(guān)鍵詞】：研究報告 投資分析 市場調(diào)研 傳感器 網(wǎng)絡(luò) 帶寬
- 中研網(wǎng)訊：
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目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺可以按節(jié)點控制器類型、節(jié)點無線通信類型、節(jié)點操作特性等多種方式進行分類。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)注的是檢測區(qū)域內(nèi)某一范圍而不是某一個特定點的狀態(tài)信息，因此按照節(jié)點操作特性來進行分類的方法較為科學，它覆蓋了節(jié)點的具體實現(xiàn)形式。按照這種方法可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為4類[1]：特定傳感器平臺、通用傳感器平臺、高帶寬傳感器平臺和網(wǎng)關(guān)平臺。
2008-2009年中國IC卡行業(yè)研究咨詢報告 近幾年，中國IC卡行業(yè)步入產(chǎn)業(yè)分工合作、規(guī)模應(yīng)用起步、產(chǎn)品由低端向高端延伸發(fā)展的新階段，產(chǎn)品2008-2012年中國機械停車設(shè)備市場調(diào)查與發(fā)展前景 隨著我國城市尤其是大城市建設(shè)的快速發(fā)展，大量現(xiàn)代化高層建筑和住宅小區(qū)的出現(xiàn)使城市土地越發(fā)金貴2009-2010年中國激光加工設(shè)備市場調(diào)查與發(fā)展前景 我國激光加工產(chǎn)業(yè)規(guī)模從1990年的1200萬元，發(fā)展到2007年末的30億元，十幾年間增長了2009-2010年中國電機產(chǎn)業(yè)市場調(diào)查與發(fā)展前景分析 【出版日期】 2008年12月 【報告頁碼】 350頁 【圖表數(shù)量】 150特定傳感器平臺側(cè)重于節(jié)點的超低功耗和體積的微型化設(shè)計，但同時也決定了其處理能力和傳輸能力很有限。比如UCBerkeley的Spec[l]就是在2．5mm×2．5mm的硅片上集成了處理器、RAM、通信接口和傳感器的一種節(jié)點，它靠一個附帶的微型電池供電可以連續(xù)工作幾年，但在其原型版本中只有單向的通信鏈路；再如由DAR-PA／MTOMEMSprogram支持UCBerkeley研發(fā)的SmartDust也是一種超微型的節(jié)點，其設(shè)計目標體積是1mm3左右，由于使用光通信并采用主動和被動兩種工作模式，其功耗可以進一步降低。
通用傳感器平臺對體積要求有所放寬，側(cè)重于節(jié)點的可擴展性和測試需求，但同樣對節(jié)點功耗有較嚴格的要求，這類平臺也是目前在實驗研究和產(chǎn)品化中應(yīng)用最多的。該類型中以UCBerkeley的Mica系列節(jié)點為主要代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot、Mica-Z等不同版本。
高帶寬傳感器平臺的主要特點是處理能力強、存儲容量大、接口豐富，其射頻帶寬比前兩種更寬，甚至可以進行音視頻信號的傳遞。該類節(jié)點的典型代表是由Intel公司設(shè)計的Imote，它采用ARM7TDMI內(nèi)核，可通過藍牙接口與PDA等設(shè)備連接，由于功能強大，相應(yīng)的系統(tǒng)功耗也有所增加。
網(wǎng)關(guān)平臺是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的部分，通常它的處理能力和接口帶寬比其他幾類更高。它實現(xiàn)的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他類型網(wǎng)絡(luò)之間，或者是不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，由通用接口使用協(xié)議轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)。
1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與節(jié)點設(shè)計
1．1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。多個終端節(jié)點node與匯集節(jié)點sink決定了檢測區(qū)域的范圍，各節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)通過自組織的多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點gate；然后通過串行通信接口傳送至網(wǎng)關(guān)計算機并接入Internet，遠程的監(jiān)控終端可以通過Internet獲取監(jiān)控范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
在該網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)接入設(shè)備和監(jiān)控終端均可使用傳統(tǒng)的計算機實現(xiàn)，以下主要關(guān)注的是終端節(jié)點、匯集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。從數(shù)據(jù)處理強度來看，由于采用的是一種樹狀網(wǎng)絡(luò)，所以終端節(jié)點數(shù)據(jù)最少，僅需在特定的檢測時獲取數(shù)據(jù)并送出；匯集節(jié)點數(shù)據(jù)量稍大，需要接收多個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)并經(jīng)過初步處理后送至下一匯集節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點；網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)量最大，需要接收整個檢測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過解析、融合、協(xié)議轉(zhuǎn)換等處理后再送入Internet。從能源需求來看，終端節(jié)點能耗最小，匯集節(jié)點次之，但這兩類節(jié)點通常都只能使用自帶的有限能源，一旦耗盡即停止工作；而網(wǎng)關(guān)節(jié)點雖然能耗大，但可以采用外部能源持續(xù)供給，在功耗上可以不作苛刻要求。因此，在全網(wǎng)中主要針對終端節(jié)點和匯集節(jié)點的能耗作嚴格要求并在多層次進行優(yōu)化，以最大限度地延長全網(wǎng)的有效工作時間。
1．2節(jié)點設(shè)計
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種典型的自組織網(wǎng)絡(luò)，其拓撲結(jié)構(gòu)會隨著節(jié)點的加入、退出或移動而改變，各節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的功能也隨之動態(tài)變化，因此在監(jiān)測區(qū)域中的節(jié)點都應(yīng)具備充當終端節(jié)點或匯集節(jié)點的能力。終端節(jié)點和匯集節(jié)點可統(tǒng)稱為"普通節(jié)點"，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在普通節(jié)點中設(shè)計并實現(xiàn)了一個8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU作為系統(tǒng)控制核心，后面會進行詳細介紹；存儲器SST29VE020用作外部程序存儲器，容量為256KB；A／D轉(zhuǎn)換器MAX152用于將外部傳感器經(jīng)調(diào)理后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；射頻收發(fā)模塊使用Chipcon公司支持ZigBee協(xié)議的CC2420[2]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點與普通節(jié)點從結(jié)構(gòu)上看是類似的，只是工作環(huán)境不同且功能需求有所增加，可由普通節(jié)點擴展實現(xiàn)。
28位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU設(shè)計
在現(xiàn)有的各類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計中都采用的是嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一些通用處理器單元，而沒有針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)專用的控制核心，因而節(jié)點設(shè)計中會受到體積、功耗、接口、資源等方面的限制，甚至在某些設(shè)計中還存在資源浪費的情況。這對節(jié)點的低功耗、微型化設(shè)計非常不利，因此在本設(shè)計中自行設(shè)計并實現(xiàn)了一種8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU，作為節(jié)點控制核心。
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