采用片上系統解決方案設計下一代低功耗自動(dòng)傳感器節點(diǎn)

　　隨著(zhù)物理感應越來(lái)越普及，高精度高效無(wú)線(xiàn)傳感器和通信節點(diǎn)也變得越發(fā)重要。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是一種包含傳感器、調節電路和數據通信等基本元件的平臺。一系列節點(diǎn)在空間內分布開(kāi)來(lái)，協(xié)作感應并傳輸數據，從而形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN)。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(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，傳感器數據可用于滿(mǎn)足各種需求。舉例來(lái)說(shuō)，手機內的加速計就能跟蹤我們的動(dòng)作，而汽車(chē)輪胎內的壓力傳感器則能確保胎壓處于最佳狀態(tài)。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是一種新興的應用，而能耗是這種應用的關(guān)鍵指標。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的大規模成功部署依賴(lài)于分布式計算、網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)通信等眾多領(lǐng)域的發(fā)展，特別是低功耗電路設計的發(fā)展顯得尤為重要。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用涵蓋工業(yè)、家庭自動(dòng)化、醫療監測、生態(tài)監控以及農業(yè)資源管理等領(lǐng)域?！　?/p>

 

　　通用型無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)　　

圖 2：簡(jiǎn)單通用型無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的方框圖

　　通用型無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)包含一個(gè)處理器。該處理器是系統的核心，負責控制節點(diǎn)的各種感應活動(dòng)，并安排數據傳輸任務(wù)。編程到處理器中的算法集成了協(xié)作感應和能量管理控制等特性。傳感器構成了采集系統，然后需要處理器完成處理和控制工作。整個(gè)系統可用電池供電，也可以通過(guò)存儲收集到的能量進(jìn)行供電。由于所需的電壓不同，需要對低壓輸入進(jìn)行升壓轉換，因此系統還要包含調節器。收集到的數據必須定期無(wú)線(xiàn)傳輸到數據中心，并由數據中心通過(guò) RF 或 GSM 將數據上傳到因特網(wǎng)。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的一般要求：

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

　　2. 自我修復結構：一個(gè)節點(diǎn)發(fā)生故障不應對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的工作造成明顯影響。通過(guò)其它網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的支持，應該能夠方便地進(jìn)行調試和修復。通信故障的影響應當最小化，在此情況下，備份控制機制應當發(fā)揮作用，以避免寶貴數據丟失。

　　3. 高穩健性：由于節點(diǎn)部署在各種不同的惡劣物理條件下，所以應當確保能夠長(cháng)期準確地運行，且不會(huì )產(chǎn)生任何問(wèn)題。

　　未來(lái)的挑戰：

　　● 典型節點(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和收集器決定。
　　● 系統不同部分的功率分布應確保高效性。
　　● 此外，擴展性問(wèn)題也會(huì )影響存儲元件以及采集傳感器的大小，這關(guān)系到轉換效率問(wèn)題。電池尺寸同樣也要不斷縮小。
　　● 待機工作模式非常重要，因此漏電流/靜態(tài)耗電性能已成為關(guān)鍵的設計參數。
　　● 節點(diǎn)通常在各種非理想的物理條件下工作。因此只有對實(shí)際條件下的運行狀態(tài)進(jìn)行深入徹底地鑒定和調查才能確保無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的成功部署。