无线传感器网络节点介绍

基于系统集成技术的节点类型和特点

在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT µAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。

这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。

目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表1。

表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较

在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用ISM波段的普通射频通信、具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信。使用普通ISM频段的无线传感器网络节点根据在不同的国家和地区对于ISM波段频率的定义不同，一般将通信频率设置为433MHz或者868/915MHz。在硬件的设计中，所采用的芯片包括Chipcon公司的CC1000，Nordic公司的nrf903，Semtech公司的XE1205。还有部分无线传感器网络节点使用了带有802.15.4/ZigBee协议的通信芯片，具有这样协议的芯片包括Chipcon公司的CC2420，RFWave公司的RFW102芯片组。还有部分节点采用了Bluetooth协议进行通信，具有Bluetooth协议的芯片组包括Ericsson公司生产的ROK 101 007等。

上述这些射频芯片的性能比较以及代表性节点的性能比较见表2和表3。

表2、无线传感器网络节点中采用的射频模块综合比较

表3、无线传感器网络节点综合比较

由表3可以看出，各公司生产的不同无线传感器网络节点根据所选用的核心处理器与射频通信芯片以及扩展功能的不同，分别具有不同的特点。采用MSP430单片机具有的超低功耗特点，如Tmote;采用了超强处理器的节点更加擅长处理大数据量，适用于高速通信、环境复杂、需要强大数据处理能力的场合，如imote 2及XYZ节点; 使用ATMega128L芯片处理器则在性能和功耗之间较为平衡，处理速度较快，而功耗又相对较低，是一种折中的方案。在射频方面，采用2.4GHz无线通信频率的节点包括使用了802.15.4/ZigBee通信协议以及Bluetooth通信协议，这两种方式将MAC层以下的通信协议固化在模块中，不需要进一步进行开发，步骤简化，更具兼容性，如Mica z、Tmote、Imote2及XYZ以及BTNodes节点，采用其它射频芯片的节点由于其通信频率比较低，因此在通信距离上较有优势，还可开发满足需要的MAC协议。

尽管已经出现了以上诸多类型的节点，但这些节点基本上还都是实验系统，是支持研究和二次开发的平台，尚没有实现系列化和标准化的工业级设计，距离

真正的实际应用需要，在技术成熟度上和功能上都尚有很大的差距，成本也比较高。

支持系统异构性的节点目前为数不多，CrossBow公司生产SPB400 stargate 网关节点使用了PXA255处理器，操作系统采用了Linux；而传感节点则采用mica 系列，使用TinyOS操作系统。该网关节点具有强大的数据处理功能，并有多种接口，包括串行口、USB、以太网以及JTAG接口等，和mica节点插接使用实现射频通信。

目前为了支持异构网络（包括网络中采用不同的或混合的无线通信方式）而需要的具有更强系统异构性的节点不多见，Intel Xcale是一个例子，在使用了PXA250 XScale处理器的网关上增加802.11通信方式，使得网关节点间具有较强的通信能力，网络中其他传感节点使用非802.11协议（如802.15.4/ZigBee）的方式进行无线通信，以支持分层的异构网络应用。目前，对异构网络的研究大多数是针于异构网络通信协议以及算法，以及Mesh网络的体系结构等，尚缺乏足够多样化的实际节点系统平台作为支持。因此，支持系统异构性的、系列化的无线传感器网络节点正是当前急需启动的研究内容。

基于集成片上系统技术的节点类型和特点

集成片上系统是向下一代节点发展的必然趋势，它在物理设计上进行改进来减少节点的体积、成本和功耗，是从根本上解决低成本和高可靠性的技术手段。

下一代节点的典型代表有U.C. Berkeley的Smart Dust[15]以及PicoRadio[16]，CSEM的WiseNET[17]，芬兰坦佩雷技术大学的Multi-Radio WSN Platform[18]等，它们均采用了SOC技术,在一个芯片上集成了CPU、自定义逻辑模块、甚至射频模块和传感器模块，用这样的芯片辅以较少的外设来实现传感器节点。目前此类节点的开发，一般先在FPGA开发平台上进行，验证完成后再转为ASIC量产。由于能够自行选择和设计逻辑模块，此类平台的开发灵活性有了很大的提高，在FPGA验证完成的情况下，配上先进的工艺来设计ASIC芯片，可以大幅度的减少节点的功耗、体积和成本并且提高可靠性。不过此类节点的开发比较复杂，目前多为各个实验室自行开发各自的平台。不过随着SOC技术的发展和IP(Intellectual Property)模块的普及，此类节点的开发会越来越容易。