引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network）綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡的應用前景十分廣闊，在軍事、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療護理、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制以及智能家居等領域都有潛在的使用價值，已經(jīng)引起了許多國家學術界和工業(yè)界的高度重視 [1]。

　　傳感器節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡的基本構成單位，由其組成的硬件平臺和具體的應用要求密切相關，因此節(jié)點的設計將直接影響到整個傳感器網(wǎng)絡的性能。

　　本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構，然后從無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺設計的基本原則出發(fā)，著重分析了硬件平臺的構成以及硬件平臺核心部件設計的一些關鍵問題，并提出設計構想。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構

　　無線傳感器網(wǎng)絡體系結構如圖1所示，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點（sink node）、外部網(wǎng)絡和用戶界面[2]。大量傳感器節(jié)點隨機部署在感知區(qū)域（Sensor field）內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構成網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中所采集的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由后到匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點通過外部網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳送到處理中心進行集中處理。

　　傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，構成無線傳感器網(wǎng)絡的基礎層支持平臺，從網(wǎng)絡功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務[3]。

　　匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，它連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布處理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡[3]。

　　2 硬件平臺的設計與實現(xiàn)

　　2.1 無線傳感器節(jié)點的特點

　　無線傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡的重要組成部分，具有以下特點：

　　a）微型化。應用中的傳感器節(jié)點要高度集成化，保證對目標系統(tǒng)的特性不會造成影響。
　　b）低功耗。無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點有嚴格的電源要求，因為網(wǎng)絡往往部署在無人值守的地方，節(jié)點使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應用的首要問題。
　　c）計算能力和存儲容量有限。傳感器節(jié)點都有嵌入式微處理器和存儲器，嵌入式微處理器的處理和存儲器的存儲容量有限，因此傳感器的計算能力十分有限。
　　d）通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡的通信帶寬窄，覆蓋范圍小，還經(jīng)常受到自然環(huán)境的影響，導致傳感器節(jié)點通信失敗。因此，網(wǎng)絡的自恢復性、抗毀性也是應解決的重點問題。
　　e）傳感器數(shù)量多，分布范圍廣。網(wǎng)絡中節(jié)點密集，數(shù)量巨大，此外，傳感器網(wǎng)絡可以分布在很廣的地域。因此，維護十分困難，傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。

　　2.2 節(jié)點的組成與核心模塊設計

　　傳感器節(jié)點完成對周圍環(huán)境中對象的感知并進行適當?shù)奶幚砗螅瑢y量值無線傳送給監(jiān)控中心。因此，傳感器節(jié)點的基本功能是：準確地采集環(huán)境參數(shù)的值，并進行初步的處理，遇險情時進行聲光報警；接收監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)請求命令，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控中心等。

　　無線傳感器節(jié)點各模塊的組成見圖2。處理器模塊用來進行節(jié)點設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調等；無線收發(fā)模塊用來進行節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送、頻率選擇等，傳感器模塊用來進行外部傳感器信號的接收、轉換，能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供必要的能量。

　　處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的核心，負責整個節(jié)點的設備控制、任務分配與調度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)榷鄠€關鍵任務，考慮無線傳感器網(wǎng)絡的實際特點，作為硬件平臺的中心模塊，除了應具備一般單片機的基本性能外還應該有適當整個網(wǎng)絡需要的特點：

　　a）盡可能高的集成度，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多的節(jié)點的關鍵部件。 b）盡可能低的能源消耗，處理器的功耗一般很大，而在無線網(wǎng)絡中，沒有持續(xù)的能源供給，這就要求節(jié)點的設計必須將節(jié)能作為一個重要因素來考慮。
　　c）盡量快的運行速度，網(wǎng)絡對節(jié)點的實時性要求很高，要求處理器的實時處理能力要強。
　　d）盡可能多的I/O和擴展接口。多功能的傳感器產(chǎn)品是發(fā)展的趨勢，而在前期設計中，不可能把所有的功能包括進來，這就要求系統(tǒng)有很強的可擴展性。
　　e）盡可能低的成本。如果傳感器節(jié)點成本過高，必然會影響網(wǎng)絡化的布局。

　　目前處理器模塊中使用較多的是ATMEL公司的AVR系列單片機，它采用RISC結構，吸取了PIC及8051單片機的優(yōu)點，具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口。集成度方面，其內(nèi)部集成了幾乎所有關鍵部件；指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結構，因此，指令大多為單周期；能源管理方面，AVR單片機提供了多種電源管理方式，盡管節(jié)省節(jié)點能源，可擴展性方面，提供了多個I/O口，并且和通用單片機兼容，另外，AVR系列單片機提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器，SPI（串行外圍接口）控制器，與無線收發(fā)模塊相結合，實現(xiàn)了大吞吐量，高速率的數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　此外，TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機，都在無線傳感器網(wǎng)絡方面得到了廣泛應用。

　　無線收發(fā)模塊用于傳感器節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，解決無線通信中載波頻段選擇、信號調制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率，編碼方式等，并通過天線進行節(jié)點間、節(jié)點與基站間數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　與一般的網(wǎng)絡通信類似，傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信協(xié)議也包括了物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層，與節(jié)點硬件平臺有關的主要是物理層和鏈路層。

　　物理層主要解決編碼調制、通信速率，通信頻段的選取等問題，物理層的編碼調制關系到頻率帶寬、通信速率、收發(fā)功率等一切問題，采用不同的調制方式應用于不同的節(jié)點技術中，節(jié)點本身的通信速率受到網(wǎng)絡結構的限制，不可能很大，一般都是低功耗、低數(shù)據(jù)量傳輸，但是，提高通信速率從而節(jié)省通信時間，對于系統(tǒng)最為關鍵的節(jié)能問題有一定幫助，在頻段的選擇方面，無線傳感器網(wǎng)絡推薦使用免許可證頻段－－ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)療）頻段，其通信頻率達2.4GHz。

　　鏈路層負責數(shù)據(jù)流的多路復用、數(shù)據(jù)幀檢測，媒體接入和差錯控制等，保證了傳感器網(wǎng)絡內(nèi)點到點和點到多點的連接。本層采用了超低功耗的802.15.4的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議，即ZigBee協(xié)議。ZigBee技術是一個具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，具有3個工作頻段，分別為700MHz， 866MHz、2.4GHz，劃分為16個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbit/s，用ZigBee技術組成的無線傳感器網(wǎng)絡結構簡單、體積小、成本低、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)節(jié)點。 

　　目前，在無線通信領域應用較多的無線數(shù)傳模塊有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010[4]，以及RFM公司的TR1000等，NORDIC ATMEL公司也有相關產(chǎn)品。

　　CC1000 工作頻帶為315MHz，868MHz，915MHz，具有低電壓、低功耗、可編程輸出功率、高靈敏度、小尺寸、集成了位同步器等特點。其FSK數(shù)傳可達 72.8Kbit/s。具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議，主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活，圖3為CC1000 的模塊結構圖。

　　傳感器模塊是硬件平臺中真正與外部信號量接觸的模塊，一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分，探頭采集外部的溫度、光度和磁場等需要傳感的信息，將其送入變送系統(tǒng)，后者完成將上述物理量傳化為系統(tǒng)可以識別的原始電信號，并且通過積分電路、放大電路的整形處理，最后經(jīng)過A/D轉換成數(shù)字信號送處理器模塊。

　　對于不同的探測物理量，傳感器模塊將采用不同的信號處理方式。因此，對于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號量，需要設計相應的檢測與傳感器電路，同時，需要預留相應的擴展接口，以便于擴展傳感等更多的物理信號量。

　　能量供應模塊作為整個無線傳感器節(jié)點的基礎模塊，是節(jié)點正常順利工作的保證。由于是無線網(wǎng)絡，所以無法采用普通的工業(yè)電能，只能使用自己已存儲的能源或者是自然界的給予。因此，采用什么能源，采取什么樣的供電方式顯得尤為重要，本模塊中必須解決好能源消耗與網(wǎng)絡運行可靠性的關系。

　　2.3 節(jié)點的電路設計

　　對應與上述的模塊劃分，傳感器節(jié)點電路由傳感電路、通用控制電路、無線射頻塊和電源4部分組成，如圖4所示，對于不同的傳感器節(jié)點，傳感器電路可能不同，而其他部分基本一致。

　　傳感電路由傳感器、放大器及調制電路組成，完成被測非電流向電量的轉換，并進行初步處理，例如信號的整形、放大等，然后送到通用電路，完成模擬量向數(shù)據(jù)量的轉換并進行適當?shù)奶幚砗笏屯鶡o線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊將其無線發(fā)送出去。通用電路也處理無線收發(fā)模塊接收來的信號，電源部分給整個傳感器節(jié)點提供所需要的能量。

　　3 硬件設計中急待解決的問題

　　3.1 電源能量有限

　　由于傳感網(wǎng)絡應用的特殊性，使得其能源不可能來自工業(yè)電源，而只能求助于自身傳輸或自然界的給予，目前使用的大部分都是自身存儲有限能源的化學電池，因此，如何高效使用電池，延長電池使用壽命就成為無線傳感器網(wǎng)絡技術面臨的首要挑戰(zhàn)，目前主要解決方法是采用休眠機制，即節(jié)點在沒有事件發(fā)生時盡快進入休眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉發(fā)的拓撲結構。

　　3.2 計算和存儲能力有限

　　傳感器網(wǎng)絡應用的特殊性，要求傳感器節(jié)點價格低、功耗小、必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小，因此，如何利用有限地計算和存儲資源，完成諸多協(xié)同任務，也是無線傳感器網(wǎng)絡技術面臨的挑戰(zhàn)之一。事實上，隨著低功耗電路和系統(tǒng)設計技術的提高，目前已經(jīng)開發(fā)出很多超低功耗微處理器，同時，一般傳感器節(jié)點還會配上一些外部存儲器，目前的Flash存儲器是一種可以低電壓操作、多次寫、無限次讀的非易失存儲介質。

　　3.3 安全性問題

　　無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模大、節(jié)點多、網(wǎng)絡拓撲結構變化快、節(jié)點易失效、能源有限以及計算和存儲能力有限的特性，使其安全完成面臨考驗[5]。因此，如何在能耗最小、存儲空間占用最少的前提下解決安全性問題，成為無線傳感器網(wǎng)絡技術面臨的又一挑戰(zhàn)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡的任何一個節(jié)點的各方面功能都不能與目前Internet的任何一種網(wǎng)絡終端相比，因此，如何通過更簡單的算法實現(xiàn)盡量堅固的安全外殼，是解決無線傳感器網(wǎng)絡安全性首先要考慮的問題，同時，有限的計算資源和能量資源又需要系統(tǒng)的各種技術綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量。

　　4 設計構想

　　4.1 無線通信模塊的頻段選擇

　　傳感器無線通信模塊的頻段選擇對于整個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)、中轉、傳輸都將產(chǎn)生重要影響，無線通信特有的空間獨占性決定了頻段選擇十分重要。所以，設計無線收發(fā)模塊時必須考慮這一因素。

　　收發(fā)芯片最好選擇工作在ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段。其他頻段還有900MHz－928MHz（只適用于美洲大陸）和868MHz －870MHz（歐洲大部分地區(qū)）。從這方面考慮，CC1000芯片是不錯的選擇，它支持多個載波頻率，其中包括868MHz和915MHz兩個屬于 ISM頻段的基本調制頻率。

　　4.2 硬件平臺的擴展性

　　傳統(tǒng)的傳感平臺主要傳感的物理量局限與聲、光、熱、濕度、磁力和加速度等，而隨著無線傳感技術的興起，以及應用領域的不斷擴大，迫切需要傳感器能夠感知更多的物理量，這就要對傳感平臺進行擴展，在系統(tǒng)設計中可以加入更多的傳感檢測電路，例如，對于煙霧濃度、范圍、甚至所觀測到的視頻的傳感等。當然，這需要系統(tǒng)首先預留擴展接口，另外，增加的部分必須高度集成化，更不能占用過多的系統(tǒng)能源。

　　對于上述的傳感物理量，能否以及如何綜合傳感，也是設計的一個方向，多個物理量的綜合獲取，可以更加準確地描述被傳感對象的狀態(tài)，在軍事、搶險救災以及自動控制等領域必然有廣闊應用。

　　4.3 傳感器節(jié)點的集成度

　　隨著集成電路工藝的進步，傳感器節(jié)點的集成度已經(jīng)達到相當高的水平，但由于傳感器網(wǎng)絡應用的特殊性，要求傳感器節(jié)點在某些場合應用時必須小到人類不容易發(fā)現(xiàn)的程度，因此，傳感器節(jié)點的集成度必須進一步提高，設計傳感器節(jié)點時，首先要考慮處理芯片的大小，因為處理器芯片的大小往往就決定整個節(jié)點的大小，所以應該選擇體積盡量小的處理器芯片，在進行電路設計時，應在不影響電路效果的前提下，盡量減少線路條數(shù)。

　　5 結束語

　　無線傳感器硬件平臺的設計對于整個無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)與應用至關重要，作為整個系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計算機成本下降和微處理器體積縮小，開發(fā)和構造無線傳感器將有更新的應用前景。