設計一個(gè)低成本的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)

    借助SOC技術(shù)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的體積就可以大大減小，應用領(lǐng)域和范圍不斷擴大。
   
　　計算機技術(shù)從誕生之日起就一直朝著(zhù)小型化、智能化和操作簡(jiǎn)單化發(fā)展，而且其應  
用領(lǐng)域也在不斷擴展并逐漸深入到我們的日常生活中，特別是近幾年來(lái)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的出現更是將這一規律推向了極致，它正在悄悄地改變著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)的形態(tài)，并必將影響著(zhù)我們工作和生活的方方面面。

　　要想讓無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )走向現實(shí)，必須從硬件設計、軟件設計、通信協(xié)議到應用研究等各方面進(jìn)行深入的研究。我們將介紹一種較實(shí)用低成本的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計方案，希望給國內同行一定的啟發(fā)。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體系結構

   無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )在設計目標方面有別于傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話(huà)等），后者要不應用于高度移動(dòng)的環(huán)境中，要不就是強調資源管理策略和服務(wù)質(zhì)量保證（QOS）。而在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)往往是相對穩定的或者靜止的，而且通常運行在十分復雜的外界環(huán)境中，節點(diǎn)的密集程度較高且分布隨機。其大部分應用都是需要通過(guò)電池進(jìn)行供電，所以電源供電和功耗問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)軟硬件設計的核心問(wèn)題。

　　無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的主要組成部分，目前，人們普遍認為：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在未來(lái)將是一次性的（就如同現在的一次性餐具一樣），因此，節點(diǎn)不僅要成本低廉，而且工作時(shí)間要盡可能長(cháng)。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中不應該存在專(zhuān)門(mén)的路由器節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)既是終端節點(diǎn)，又是路由器節點(diǎn)。節點(diǎn)間采用無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系起來(lái)，并采用多跳的路由機制進(jìn)行通信。因此，在單個(gè)的節點(diǎn)上，一方面硬件必須低能耗，采用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )應用需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議?；谶@些基本的思想，我們設計了一種無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，并在實(shí)際中得到了應用，而且也提出了一些新的設計思路和一些有待進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題。

   無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的體系結構設計主要包括硬件體系結構設計、軟件體系結構設計和軟硬件協(xié)同設計三個(gè)方面。硬件一般包括傳感器﹑微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器等三個(gè)部分，如圖1所示，傳感器部分是節點(diǎn)伸入自然界的觸角，它主要負責信息的采集并將其他如光信號、電信號、化學(xué)信號轉變?yōu)閿底中盘柌⑺徒o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)現自組織網(wǎng)絡(luò )的安全可靠的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議；第三部分的射頻模塊負責發(fā)送數據，即通信的物理實(shí)現。

   無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )軟件是由嵌入式操作系統﹑無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和面向具體應用的軟件任務(wù)等所組成的，如圖2所示，可以綜合為系統層和用戶(hù)層兩大部分，圖中的系統調用層主要包括文件系統、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議、設備管理、低功耗分布式處理等，核心結構層主要包括了內存管理、進(jìn)程調度、中斷管理等內容。實(shí)際上，純粹的硬件設計或是軟件是遠遠不夠的，如低功耗設計往往是需要二者的配合才能達到理想的效果。圖3中給出了中科院計算所自行設計的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)原型系統，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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )廣泛的應用場(chǎng)合，我們選用了9種不同類(lèi)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﹑壓力）。為了調試方便及可擴展性，我們將傳感器板獨立出來(lái)，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
   
   主控制器是一個(gè)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(lái)說(shuō)，它具有更加豐富的資源，并且具有極低的能耗。它具有片內128K字節的程序存儲器（Flash），4K字節的數據存儲器（SRAM，可外擴到64K）和4K字節的E2PROM。此外，它還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計數器，并可在多種不同的模式下工作。8個(gè)PWM通道﹑可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器﹑片上模擬比較器。UART﹑SPI﹑I2C總線(xiàn)接口。JTAG口為開(kāi)發(fā)和調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用場(chǎng)合。

   無(wú)線(xiàn)收發(fā)器CC1000是為低電壓無(wú)線(xiàn)通信的應用場(chǎng)合設計的單片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(wú)須任何片外濾波電路，可直接和外部天線(xiàn)接口等非常適合于集成的特點(diǎn)外，還具有輸出強度和收發(fā)頻率可編程的特點(diǎn)。它采用FSK調制方式，最大收發(fā)波特率76.8kbps，外部采用類(lèi)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用場(chǎng)合。

   在傳感器方面，我們選用了一些當今應用最為常見(jiàn)的傳感器，傳感器的電路部分設計較為簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是需要控制傳感器的能耗，通過(guò)在設計上采用power gating技術(shù)，以達到在無(wú)數據采集任務(wù)時(shí)及時(shí)關(guān)閉電源，節省電能的目的。

   在電源方面，我們選用了三節可以反復充電使用的Nicd電池。在未來(lái)，我們準備對電源部分進(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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)所需的最基本功能模塊之外，我們還設計了硬件ID標志。通過(guò)采用dallas公司的Ds2401的單線(xiàn)接口ID芯片，可以很方便的實(shí)現。

軟件設計
   在軟件的設計上，為了保證軟件的可靠性和簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，我們使用了目前比較流行的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTO  
S：Real Time Operation System）uc/osII。uc/osII的前身是uc/os，是美國嵌入式系統專(zhuān)家Jean J.Labrosse用C語(yǔ)言寫(xiě)的一個(gè)源代碼開(kāi)放的、占先式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核。目前已有十來(lái)年的歷史了。它采用靜態(tài)優(yōu)先級調度，能管理64個(gè)任務(wù)，其中用戶(hù)最多可以使用56個(gè)任務(wù)。它具有執行效率高、占用空間?。▋群俗钚】删幾g至2K）、實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)良和擴展性強的特點(diǎn)，非常適合于嵌入式系統的開(kāi)發(fā)。但是，由于uc/osII的源碼開(kāi)放性，缺乏必要的技術(shù)支持，系統的更新、功能擴充得不到有力的支持，象各種硬件的驅動(dòng)程序、文件系統、通信協(xié)議等，只能由用戶(hù)自己開(kāi)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)現了uc/osII在A(yíng)TMEGA128L上的移植，而且針對硬件電路和應用需要，增加了外圍硬件的驅動(dòng)、文件系統以及無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議三個(gè)部分。在外圍硬件的驅動(dòng)上，主要是控制指示燈的亮滅和對傳感器的控制與數據的采樣。文件系統實(shí)質(zhì)是對一塊外部EEPROM的讀寫(xiě)控制，通過(guò)文件系統的管理，可以避免應用軟件對EEPROM的直接讀寫(xiě)，文件系統的緩沖功能大大減少了對EEPROM的讀寫(xiě)次數，延長(cháng)了它的使用壽命。

   無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議是軟件中的一個(gè)重要問(wèn)題，因為它直接關(guān)系到節點(diǎn)的性能，目前，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議還沒(méi)有定論，許多問(wèn)題仍然在學(xué)術(shù)界進(jìn)行研究。因此，在鏈路層，我們設計了一個(gè)簡(jiǎn)化的CDMA/CA協(xié)議，即任何節點(diǎn)在發(fā)送之前必須進(jìn)行一段隨機時(shí)間的偵聽(tīng)，在確認目前沒(méi)有別的節點(diǎn)在進(jìn)行數據傳輸時(shí)才進(jìn)行數據發(fā)送，收發(fā)雙方通過(guò)三次握手來(lái)交換數據。在系統空閑時(shí)，關(guān)閉偵聽(tīng)功能，以盡可能降低功耗。當然，這種協(xié)議存在著(zhù)隱含節點(diǎn)以及偵聽(tīng)時(shí)的功耗損失等問(wèn)題，但在一定的節點(diǎn)數量范圍內還是很有效的。在網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議上，目前采用了簡(jiǎn)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)現功能、安全性好等優(yōu)良特性恰好給無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展提供了很好的支持。

   應用層軟件的設計相對比較簡(jiǎn)單，主要是任務(wù)間的協(xié)作，根據具體的應用場(chǎng)合，應用層軟件也是有所不同的。
     
   從我們對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的實(shí)際研制過(guò)程可以看到：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )要能達到理想的性能指標，首先必須依賴(lài)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點(diǎn)的體積，擴大應用領(lǐng)域和應用范圍。其次，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的鏈路層，網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的性能是制約無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵因素。

   隨著(zhù)SOC和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議研究的開(kāi)展，預料在不久的將來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )將會(huì )很快走向每個(gè)家庭和每個(gè)人，極大提高人們的生活質(zhì)量，我們期待著(zhù)這一天的到來(lái)。