基于Nios II/s的 通用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

　　1． 引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )（Wireless Sensor Network, WSN）是部署在監測區域內大量廉價(jià)微型傳感器結點(diǎn)組成的，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統[1]，其目的是協(xié)作地感知，采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)測者。該技術(shù)起源于20世紀90年代的美國，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)集成了傳感器技術(shù)，微機電系統，現代網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，跨越了計算機、半導體、嵌入式、網(wǎng)絡(luò )、通信、光學(xué)、微機械、化學(xué)、生物、航天、醫學(xué)、農業(yè)等眾多領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)已取得了長(cháng)足的進(jìn)步[2-4]。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預測未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )列為21世紀最具有影響的21項技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)之一。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通過(guò)飛機大量拋撒或人工固定布置在任意地點(diǎn)，即便在惡劣的溫度條件下，也能迅速組成自組織網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)傳遞出信息量豐富的信息。此過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感節點(diǎn)的研究就顯得至關(guān)重要。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及人類(lèi)對高質(zhì)高效社會(huì )的進(jìn)一步追求，在原有基礎上，以現代高新技術(shù)為依托，人們對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的研究不斷深入，研究成果也層出不窮。

　　本文的項目從工程技術(shù)和基礎理論兩個(gè)層面出發(fā)，重點(diǎn)對單個(gè)傳感器進(jìn)行了基本設計，從整體上建立一個(gè)對環(huán)境具有普適性的通用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )模型。特別在節點(diǎn)IP地址分配方法和能源供應問(wèn)題上作出了改進(jìn)。

　　2． 系統構成

　　整個(gè)系統主要由傳感器，Nios?II處理器，并行模/數轉換芯片，射頻模塊，能源模塊以及外圍部件構成。由傳感器監測區域內信息并采集數據，并交由AC/DC進(jìn)行數據轉換；處理器負責傳感節點(diǎn)的總體操作，處理本身采集的數據以及由其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據或控制信息；射頻模塊負責該節點(diǎn)與其他節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信，相互交換由匯聚節點(diǎn)或其他上層發(fā)來(lái)的控制信息和收發(fā)所采集的數據；擬用太陽(yáng)能電池陣列與節點(diǎn)本身所攜帶的微型電池供電。

　　2.1 Nios II處理器

　　Nios II系列32位RISC嵌入式處理器Nios II 嵌入式CPU支持32位指令集、32位數據線(xiàn)寬度、32個(gè)通用寄存器、32個(gè)外部中斷源、2GB尋址空間，包含高達256個(gè)用戶(hù)自定義的 CPU 定制指令。其可選的片上 JTAG 調試模塊是基于邊界測試的調試邏輯，支持硬件斷點(diǎn)、數據觸發(fā)和片外片內的調試跟蹤，具有的完全可定制特性、性能、較低的產(chǎn)品和實(shí)施成本、易用性、適應性和不會(huì )過(guò)時(shí)。由于處理器是軟核形式，具有很大的靈活性，可以在多種系統設置組合中進(jìn)行選擇，達到性能、特性和成本目標。相比于市場(chǎng)的同類(lèi)產(chǎn)品它具有非常多的優(yōu)勢。圖二為Nios II的標準內核設計框圖

　　●高靈活性

　　Nios II開(kāi)發(fā)包含有一套通用外設和接口庫，可以自己定制外設，使用SOPC Builder，可以在A(yíng)ltera FPGA中，組合實(shí)現現有處理器無(wú)法達到的嵌入式處理器配置，每次都能得到所需的結果。

　　●豐富的外設、存儲器和接口。

　　功能接口包含： 外部三態(tài)橋接外部SRAM接口, UARTLCD接口, 用戶(hù)邏輯接口,JTAG UARTC ,并行I/O,S8900 10Base-T接口, 系統ID,EPCS串行閃存控制器片內ROM, 直接存儲器通道(DMA),緊湊閃存接口(CFI), 串行外設接口(SPI),SDR SDRAM ,片內RAM,LAN 91C111 10/100 ,有源串行存儲器接口,以太網(wǎng)接口PCI,PCI DDR SDRAM CAN RNGUSB DDR2 SDRAM DES 16550 UARTRSA SHA-1 I2C10/100/1000 Ethernet MAC 浮點(diǎn)單元

　　●高速的數據處理能力

　　Nios II/s（快速）擁有5級流水線(xiàn)，動(dòng)態(tài)支路預測，可設置指令及數據緩沖，動(dòng)態(tài)支路預測，Nios II處理器定制指令擴展了CPU指令集，提高對時(shí)間要求嚴格的軟件運行速度，從而能夠大大提高系統性能。采用定制指令可以實(shí)現傳統處理器無(wú)法達到的最佳系統性能。

　　Nios II系列處理器支持多達256條的定制指令，加速通常由軟件實(shí)現的邏輯和復雜數學(xué)算法支持固定和可變周期操作，其向導功能將用戶(hù)邏輯做為定制指令輸入系統，自動(dòng)生成便于在開(kāi)發(fā)人員代碼中使用的軟件宏功能。

　　●Avalon交換架構

　　Avalon交換架構的同時(shí)多主機體系結構提高了系統帶寬，消除了帶寬瓶頸（圖4）。采用Avalon交換架構，每個(gè)總線(xiàn)主機均有自己的專(zhuān)用互聯(lián)，總線(xiàn)主機只需搶占共享從機，而不是總線(xiàn)本身。每當系統加入模塊或者外設接入優(yōu)先權改變時(shí)，SOPC Builder利用最少的FPGA資源，產(chǎn)生新的最佳Avalon交換架構。Avalon交換架構支持多種系統體系結構，如單主機/多主機系統，可實(shí)現數據在外設與性能最佳數據通道之間的無(wú)縫傳輸。