无线传感器网络节点平台设计

3 硬件设计 3.1 器件选型
元器件的选择直接影响到传感器节点设计，其
中最重要的是处理器芯片和射频收发器芯片，这两 者主导了节点的功能、功耗、传输能力和稳定性，因 此需要全面地比较市面现有适用的器件，分析各自 的优劣并谨慎地做出选择。
（1）处理器 处理器的选择不仅需要考虑处理器的 RAM、 ROM 大小和睡眠电流等硬件特性，同时也要考虑软 件支持。表 2 列出了传感器节点常用的处理器。 从表 2 中可以看到，ATMEGA128 和 MSP430 系 列的工作电压较低，有利于在电池供电时获得较长 的 生 存 期 。 Jennic 系 列 和 Freescale MC13224 的 RAM 空间较大，但代价是睡眠电流偏高。 由于需要在科研与教学中使用，有开放工具链 GCC 的支持是很重要的，例如传感网研究最常用的 操作系统 TinyOS 中就使用了大量 GCC 的扩展语法 以优化程序的执行效率。GCC 目前已支持 AVR， MSP430，ARM 等体系架构，但并不支持 8051，需要 使用其他开源编译器如 SDCC，或者使用商用的编译 器如 IAR。另外 TinyOS 对 MSP430 和 AVR 系列的处 理器支持较为完善，因此处理器主要在 MSP430 和 AVR 系列中选择，这两者性能比较接近，但考虑 AVR 系列处理器的使用更为广泛，资料和开发工具相对 丰富和廉价，故选用 AVR 系列的处理器。低功耗的 AVR 8 位单片机系列中现有最高端的处理器为 ATMEGA128RFA1[5]，它集成了符合 IEEE 802.15.4 标准 的射频收发器，性能与独立的射频芯片 AT86RF230 相当，是传感器节点处理器的首选。 ATMEGA128RFA1 处理器使用先进的 RISC 结 构，具有 135 条指令，大多数指令可以在一个时钟周 期内完成。它可以在 1.8 V 下工作于 16 MHz，处理速 度 为 16 MIPS。 它 具 备 16 kByte 的 内 部 SRAM，较
（1）低成本：节点使用的元器件和 PCB 等原料以 及加工成本应在可接受范围内。
（2）低能耗：节点使用两节 AA 电池至少能正常 工作一年。
（3）稳定性：节点可在长期无人看护的环境中正 常工作。
（4）传输距离：充分发挥硬件性能，使节点的通 信距离最大化。
（5）易于使用与开发：节点可用 USB 供电，也可 用电池供电。USB 接口同时具备收发数据和烧写程 序的功能，方便开发人员使用。
1 引言
传感网的快速发展使得应用程序日益复杂，它 们对节点硬件资源提出了新的挑战。例如在传感器 节点上同时使用 6LoWPAN 协议和 COAP 协议时，需 要占用 10 kB 以上的 RAM 和 40 kB 以上的 ROM，传 统的节点平台已逐渐无法满足这些需求。因此需要 研制新一代的感知节点平台，扩充节点资源，同时保 持节点的低能耗、低成本和可扩展性。新型的通用 感知节点平台设计应考虑以下因素：
RAM/kB 16 8 16 10 8 16 8 8 192 96 4 96 12
Flash/kB 128
128/256 128 48 116 256 128 256 128 128 60 128
128/192
睡眠电流/μA 0.25 0.10 0.10 0.20 0.10 1.70 0.50 0.40 3.30 5.00 1.00 5.00 1.00
Intelmote2
其中由 MEMSIC 公司（原 Crossbow 公司）推出的 TelosB[1-2]系列和 IRIS[3]系列是比较有代表性的节点平 台产品，在传感网的研究中应用最为广泛。TelosB 节 点集成度较高，它使用了 MSP430 处理器和 CC2420 射频芯片，集成了光照、温湿度传感器，板载 PCB 印 制天线，具备可用于数据通信或烧写程序的 USB 接 口。然而 TelosB 的不足在于传输距离较短（室外视 距 100 m 左 右）。 IRIS 节 点 使 用 射 频 性 能 更 佳 的 AT86RF230 芯片使室外视距传输距离达到 300 m，却 并不增加功耗。但 IRIS 节点不具备 USB 接口，也不 板载传感器，需要通过专用的 51 针接口外接扩展，使 用起来不够方便。Epic[4]平台结构与 TelosB 类似，但 它使用了模块化的构建方法，使各个硬件模块可复 用，降低了构建新应用的复杂性。另外基于 8051 内 核并集成了符合 IEEE 802.15.4 射频收发器的的 SoC 芯 片（如 CC2430/CC2530）的 节 点 平 台 由 于 成 本 较 低，开发工具链也较为成熟，因而在国内业界使用得 较多，然而开源工具链对它的支持并不完善，因此需 要购买商用的编译器和专用的协议栈用于开发，故 不适用于科研与教学。本文结合 TelosB 和 IRIS 系列 的优点，设计了 NPUMOTE3 节点平台，兼顾节点易 用性和射频性能，使其更适用于科研、教学与生产。
表 3 常用 IEEE 802.15.4 射频芯片
供电电压/V 1.8~3.6 1.8~3.6 1.8~3.6 2.0~3.6 2.0~3.6 2.1~3.6 1.8~3.8 2.2~3.6 2.0~3.4 2.0~3.6 2.1~3.6 2.1~3.6 2.1~3.6
TX/mA 14.5 16.5 14.0 27.0 29.0 17.4 33.6 45.0 30.0 29.0 33.0 31.0 31.0
表 2 传感器节点常用的处理器
生产商 Atmel
TI
Jennic Freescale
Ember
型号 ATMEGA128RFA1 ATMEGA1281/2561
ATMEGA1284 MSP430F1611 MSP430F2618 MSP430F5438 CC2430F128 CC2530F256
JN5139 JN5121 MC13213 MC13224 EM351/357
QIU Ying, LI Shining, WU Wen, et al. General mote platform design for wireless sensor network. Computer Engineering and Applications, 2012, 48（23）：90-94.
士，副教授。E-mail：qiuying@ 收稿日期：2011-07-11 修回日期：2011-09-19 CNKI 出版日期：2011-11-14 DOI：10.3778/j.issn.1002-8331.2012.23.020 /kcms/detail/11.2127.TP.20111114.0950.087.html
裘 莹，李士宁，吴 雯，等：通用无线传感器网络节点平台设计
2012，48（23） 91
指令集 MSP430
AVR 8051 ARM
表 1 传感网常用节点平台
节点平台 TelosB TmoteSky Epic Shimmer Zolertia Tinynode
Mica2 MicaZ IRIS 基于 TI CC2430/CC2530 的产品
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2012，48（23）
Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
通用无线传感器网络节点平台设计
裘 莹，李士宁，吴 雯，李志刚 QIU Ying, LI Shining, WU Wen, LI Zhigang
西北工业大学 计算机学院，西安 710072 School of Computer, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
睡眠电流/μA 0.25 0.10 0.02 0.50 0.40 1.00 1.00 5.00 1.00 0.85 1.00 1.00 0.80
加密 AES 无 AES AES AES AES AES AES 无 AES AES AES AES
指令集 AVR AVR AVR
MSP430 MSP430 MSP430
8051 8051 RISC32 RISC32 HCS08 ARM7 ARM Cortex-M3
GCC 支持 支持 支持 支持 支持 支持 不支持 不支持 支持 支持 不支持 支持 支持
工作电压/V 1.8~3.6 1.8~5.5 1.8~5.5 1.8~3.6 1.8~3.6 2.2~3.6 2.0~3.6 2.0~3.6 2.2~3.6 2.2~3.6 2.0~3.4 2.0~3.6 2.1~3.6
摘 要：随着传感网研究的深入，传感器节点运行的实际应用日趋复杂，对实验平台要求也相应提高。为解决 该问题，设计了新一代通用传感网感知节点平台 NPUMOTE3，提高了节点的处理、存储和传输能力，同时易于 扩展、便于使用，可满足当前科研、教学与生产中的不同需求。 关键词：无线传感器网络；ATMEGA128RFA1 处理器；节点平台；硬件设计 文章编号：1002-8331（2012）23-0090-05 文献标识码：A 中图分类号：TP368
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2012，48（23）
Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
制造商 Atmel
TI Jennic Freescale Ember
ST
型号 ATMEGA128RFA1
RF230 RF231 CC2430 CC2530 CC2420 CC2520 JN5121 MC13202 MC13224 EM250/260 EM351/357 STM32W
Abstract：Application in sensor networks is becoming more and more complicated as the intensive study in recent years, which challenges the traditional mote platform design. To solve this problem, this paper proposes the design of a general mote platform called NPUMOTE3, whose process speed, storage capacity and transmission distance are improved, meanwhile, it is easy to interconnect with peripheral devices and develop new applications, satisfies different requirements in research, education and production. Key words：wireless sensor networks; ATMEGA128RFA1 processor; mote platform; hardware design