1、無線傳感器網絡講義第二章第二章 節點技術節點技術2014年3月MICA2 mote by Inteland the University of California, Berkeley第二章第二章 節點技術節點技術2.1 2.1 節點體系結構節點體系結構2.2 2.2 節點設計原則節點設計原則2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模塊2.5 2.5 傳感器傳感器2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析2.7 2.7 常用節點介紹常用節點介紹2.1 2.1 節點體系結構節點體系結構 傳感器網絡節點作為傳感器網絡的硬件平臺具有端節點和路由雙重功能：一方面實現數據的

2、采集和處理；另一方面將數據融合經多跳路由傳送到匯聚節點，最后經互聯網或其它通信網絡傳送到觀察者。無線傳感器網絡節點是一種微型化的嵌入式系統。構成了無線傳感器網絡的基礎支撐平臺。2.2 2.2 節點設計原則節點設計原則在設計無線傳感器網絡節點時，主要遵循以下原則：（1）低成本成本的高低是衡量無線傳感器網絡節點設計好壞的重要指標。通常，無線傳感器網絡規模較大，節點數量可能多達數百個甚至上千個。在大規模部署的情況下，單個節點的成本問題就尤為突出。只有成本低才能大量布置在目標區域中，體現出傳感器網絡的各種優點。因此，就要求無線傳感器節點的各個模塊的設計不能特別復雜，使用的所有器件都必須是低功耗的。最終

3、目的是，在能夠滿足系統需求的前提下，將硬件成本降到足夠低。UC Berkeley: COTS Dust2.2 2.2 節點設計原則（續）節點設計原則（續）（2）具有足夠的數據處理及存儲能力無線傳感器網絡節點擔負著環境數據采集和數據傳輸的功能。數據采集過程通常要對所采集的數據進行必要的處理及存儲工作，這要占用一部分處理器與存儲器資源；同時，由于節點要將所采集的數據通過無線發送，所以要對數據進一步加工，將數據組成能夠滿足網絡要求的數據包格式，并由處理器將數據送往無線通信模塊部分。另外，無線傳感器網絡節點還擔負著路由功能，即將所接收到的數據包向下一跳節點進行轉發，路由功能也會消耗節點一部分處理器和存

4、儲器資源。因此，節點要具有足夠的數據處理和存儲能力，能夠同時完成數據采集和數據傳輸功能。JPL: Sensor Webs2.2 2.2 節點設計原則（續）節點設計原則（續）（3）低功耗節能是無線傳感器網絡節點設計最主要的問題之一。無線傳感器網絡節點一般采用電池供電，并且大多數工作在野外環境或者人員不宜到達的地方，因而不可能隨時更換節點的電池，這就要求節點能夠在有限的電源供電的情況下，工作的時間盡可能長，以延長網絡的壽命。節點本身需要具有低功耗技術，能量的節約需要節點硬件和軟件配合實現。2.2 2.2 節點設計原則（續）節點設計原則（續）（4）可擴展性和靈活性可擴展性也是傳感器節點設計必須考慮的

5、問題，實現方法之一是定義統一、完整的外部接口。在需要添加新的硬件部件時可以在現有節點上直接添加，而不需要開發新的節點。即傳感器節點應當在具備通用處理器和通信模塊的基礎上擁有完整、規范的外部接口，以適應不同的部件。體現在傳感器模塊上，根據不同的應用場合需要，無線傳感器網絡節點應該具有不同的傳感器接口，可以與不同的傳感器相結合，進行靈活的配置。本特性也需要傳感器節點硬件和軟件配合實現。Mica node2.2 2.2 節點設計原則（續）節點設計原則（續）（5）微型化微型化是無線傳感器網絡追求的終極目標。只有節點本身體積足夠小，才能保證不影響目標系統環境或者造成的影響可以忽略不計；另外在某些特殊場合

6、甚至要求目標系統能夠小到不容易被察覺的程度。（6）穩定性和安全性設計的節點要求各個部件都能在給定的外部環境變化范圍內正常工作。在一定的溫度、濕度、壓力等外部條件下，傳感器節點各個部件應該能夠保持正常的功能。weC Mote2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊處理器模塊是整個無線傳感器網絡節點硬件平臺中最核心的部件，處理器的性能直接影響節點的性能。處理器決定了節點的數據處理能力、路由算法的運行速度以及傳感器網絡的復雜程度。同時在一定程度上影響了節點的整體能耗和節點的工作壽命。處理器模塊的選擇還決定了傳感器節點軟件系統的開發工具和開發周期，以及是否使用嵌入式操作系統，現有的上層軟件是否可以方便的移

7、植等。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續）（續）目前使用的三種主流微處理器：美國Atmel公司推出的高性能8位單片機系列AVR芯片美國TI公司推出的高性能16位單片機MSP430系列微型處理器CHIPCON公司（現被TI收購）推出的CC2431芯片。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續）（續）（1）美國Atmel公司推出的高性能8位單片機系列AVR芯片。AVR處理器根據芯片存儲空間的不同，分為ATMega8，ATMegal6，ATMega64及ATmegal28等不同型號。AVR芯片具有高可靠性、功能強大、高速率、低功耗、低價位的優點，芯片應用非常廣泛，技術相對來說也比較成熟。另外，

8、AVR芯片的外圍接口也非常豐富，提供串行通信接口UART，JTAG在線調試接口，串行外設接口SPI等等。使用AVR（ATMegal128L）的產品有：CrossBow公司的Mica系列節點、CSRIO研究室的CSRIO節點以及中科院計算所研制的EASINet系列節點等。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續）（續）（2）美國TI公司推出的高性能16位單片機MSP430系列微型處理器。它也采用了精簡指令集RISC結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；高效的查表處理指令；較高的處理速度（在8MHz晶體驅動下指令周期為12

9、5ns）；超低功耗（工作電流為微安級）。所有這些特點保證了MSP430系列芯片高可靠性，高效率的工作性能，使其在智能儀表、流量計、醫療設備及保安系統等方面得到了廣泛的應用。采用MSP430的產品有：Moteiv公司的Tmote節點（Telos）和hockFish公司的TinyNode584節點等。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續）（續）（3）CHIPCON公司推出的CC2431芯片。它是一款真正的基于無線傳感器網絡ZigBee802.15.4解決方案的片上系統。相對前面兩種來說，比較特殊的一點是芯片上不但具有符合工業標準的增強型8051微控制器內核及定位引擎，具有128K閃存、8KRA

10、M空間以及各種豐富的外圍接口。CC2431芯片還集成了一個性能卓越的射頻收發模塊CC2420內核。也就是說，只需要在CC2431芯片周圍布設極少的外圍電路即可完成整個節點的設計。2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模塊無線通信模塊是構成節點的另一個重要模塊。無線通信模塊用于節點之間的數據通信。傳感器網絡的特殊性決定了不能使用復雜的協議，例如像802.11這樣的協議。主要原因是協議的復雜性會帶來很大的能量消耗，同時節點的處理功能并不是十分強大，使用復雜協議會占用大量的處理器資源。無線傳感器網絡中廣泛采用的底層通信方式包括使用ISM（Industrial, Scientific and Medic

11、al）波段（各國規定不同，常用的有433MHz和868/915MHz），以及具有802.15.4協議和藍牙通信協議的射頻通信（2.4GHz）。2.4 2.4 無線通信模塊（續）無線通信模塊（續）頻段劃分及主要用途頻段劃分及主要用途2.4 2.4 無線通信模塊（續）無線通信模塊（續）ISMISM波段頻率波段頻率頻率頻率說明說明13.55313.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MHz433464MHz歐洲902928MHz美國2.42.5GHzWLAN/WPAN技術使用5.7255.875GHzWLAN技術使用2424.25GHz2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模

12、塊（續）（續）常用常用433MHz433MHz射頻芯片射頻芯片2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模塊（續）（續）需要注意的是，有些芯片只包含單純的無線通信功能，沒有協議的支持，這類芯片非常適合研究無線傳感器網絡的底層MAC通信協議，所研究的協議內容能夠在這樣的平臺上完全實現。例如，Chipcon公司生產的CC1000、Nordic規定生產的nrf903和Semtech公司生產的XE1205芯片等。還有部分芯片內嵌了支持802.15.4/ZigBee協議，例如Chipcon公司的CC2420和RFWave公司的RFW102芯片組。2.5 2.5 傳感器傳感器傳感器是無線傳感器網絡的信息來源。傳

13、感器是無線傳感器網絡的信息來源。 傳感器網絡的終端探頭通常代表了用戶的功能需求，終端傳感器技術是支撐和最大化網絡應用性能的基石，為網絡提供了豐富多彩的業務功能。什么是傳感器？什么是傳感器？一般來說能夠把特定的被測量信息（物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成某種可用信號（電信號、光信號等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。2.5 2.5 傳感器傳感器（續）（續）傳統意義上，傳感器指的是將物理信號轉換為電信號的器件(這種器件又稱為敏感元件)，但是這種電信號往往不能直接測量，需要通過調理電路將非標準電信號轉換為標準電信號，這部分電路往往為一個單獨的模塊，稱為變送器。隨著傳感技術，尤其是MEMs

14、技術的不斷發展，現在的傳感器往往將調理電路(也稱之為變送電路)也集成其中，或者將變送電路集成到電路板上，變送器的概念也逐漸淡化。而傳感器的概念也同時包括了變送器，除非特別提出。本節中提到的傳感器者包括了調理電路。由于無線傳感器網絡尚未形成大規模的市場，面向無線傳感器網絡的專用傳感器極少。目前應用于無線傳感器網路的傳感器一般來自于傳統的軍事、航空、汽車電子等镢域，而這類傳感器往往和無線傳感器網絡的需求有一定的差距。2.5 2.5 傳感器傳感器（續）（續）傳感器網絡對傳感器的特殊要求傳感器網絡對傳感器的特殊要求（1）功耗低。應選用低功耗傳感器，一般工作電流小于0.5mA。（2）尺寸小。大多數情況下

15、，要求節點的尺寸要小，因此，傳感器的尺寸應限制在一定范圍內。（3）數據量小。傳感器網絡是一個短距離，低速率的網絡，不適合用來傳輸大量的數據。對于一些數據量較大的傳感器，例如圖像傳感器，需要在傳感器節點上對數據進行一定的處理，然后將我們更感興趣的、相對簡單的數據傳送至后端。（4）根據具體應用需求來決定傳感器的工作方式。例如，合理地設置睡眠、工作周期等。2.5 2.5 傳感器傳感器（續）（續）部分具體應用領域中的傳感器部分具體應用領域中的傳感器2.5 2.5 傳感器傳感器（續）（續）部分實際應用傳感器的電氣特性部分實際應用傳感器的電氣特性注l：數據轉換時瞬時電流為550A，T2ms注2：數據轉換時

16、瞬時電流為1mA，T2ms2.5 2.5 傳感器傳感器（續）（續）部分實際部分實際應用傳感應用傳感器的電氣器的電氣特性（續）特性（續）2.5 2.5 傳感器傳感器（續）（續）小結：小結：從已經投入實用或實驗中的無線傳感器網絡使用的傳感器來看，MEMS （Micro Electro Mechanical systems，MEMS）傳感囂占據了相當一部分。這是由于MEMS傳感器集成度高、體積小、能耗低，有標準信號輸出接口，信號凋理簡單。目前成熟的MEMS傳感器包括加速度傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、震動傳感器、光敏(光照度)傳感器、聽覺傳感囂和圖像傳感器。這類傳感器一般還集成了用于初

17、步處理被測信號的電路，有些可以作為SMD標準元件直接焊接在硬件電路板上。不同的工作環境、不同的被鍘量，對被測量的不同評價標準，導致傳感器的檢測原理也是各式各樣，其中有一些傳感器已經不是傳統意義上的傳感器，例如雷達、GPS等。總之，傳感器技術是無線傳感器網絡實用化的關鍵技術之一傳感器技術是無線傳感器網絡實用化的關鍵技術之一。2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析為什么要研究節點能耗？為什么要研究節點能耗？WSN是能量嚴重受限的網絡，要求在WSN設計的各方面、各層次體現能量有效性。在在WSN中，有關能量有效性研究和基于能量感知的算法中，有關能量有效性研究和基于能量感知的算法/協協議研究是議研究是

18、WSN研究的熱點之一。研究的熱點之一。能量有效研究是指提出能量有效的算法或協議，并利用剩余能量信息驗證能量的有效性；基于能量感知的研究，則是將剩余能量信息作為設計算法協議的現實依據。從本質上講，它們均是基于剩余能量信息的研究，均需要能耗模型的支持。WSN能量模型與節點硬件環境高度相關。能量模型與節點硬件環境高度相關。本節對符合本節對符合ZigBee/802.15.4規范的節點進行能耗分析。規范的節點進行能耗分析。2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析（續）（續）從硬件電路考慮，傳感器節點能耗主要包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。已有的研究結果表明，傳感器節點將1 bit信息傳輸100

19、 m距離需要的能量大約相當于執行3000條計算指令消耗的能量。同樣，和無線通信模塊所需能量相比，傳感器模塊采集信息耗能很低，且與工作時間成正比。因此，在實際工作中傳感器節點能耗主要集中在無線通信模塊上。設傳感器節點總能耗為設傳感器節點總能耗為E Edepletiondepletion 無線通信能耗為無線通信能耗為Erf 處理器處理器MCUMCU計算能耗為計算能耗為E Ecalcal 傳感器模塊采樣能耗為傳感器模塊采樣能耗為E Esensorsensor則有：則有： E Edepletiondepletion= =Erf+ E Ecalcal+E+Esensorsensor2.6 2.6 節點能

20、耗分析節點能耗分析（續）（續）1.1.節點通信能耗模型節點通信能耗模型WSN通信有接收、發送、空閑監聽和睡眠4種狀態，總能耗是它們之和。設射頻模塊(RF)的通信能耗總為Erf，發送能耗為Esend，接收能耗為Ereceive，空閑監聽能耗為Eidle，睡眠能耗為Esleep，則有Erf=Esend+Ereceive+Eidle+Esleep （1）其中，Esend=psentsen Nc-sen （2） Ereceive=prec trec Nc-rec （3） Eidle=pidle tidle Nidle （4）Esleep=psleep tsleep Nsleep （5） 則：Erf=p

21、sentsen Nc-sen +prec trec Nc-rec+pidle tidle Nidle+psleep tsleep Nsleep （6）式中：psen為RF發送的平均功率，由廠家提供；tsen為RF發送的平均用時/每幀，可由數據幀平均幀長和數據發送速率計算得出； Nc-sen為當前已發生的發生動作次數（含數據幀發送失敗情況），它的值可通過在協議棧中設置計數器取得。其余參數類似。2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析（續）（續）2.2.微處理器單元（微處理器單元（MCUMCU）計算能耗模型）計算能耗模型首先定義“原子計算”概念如下：原子計算是由一組計算組成的計算過程，該計算過程或

22、者全部執行，或者全部不執行，它具有完整性、獨立性特點。不失一般性，對BeeStack協議棧（符合ZigBee/802.15.4規范）的研究發現，微控制器(MCU)計算活動具有如下特征：每次幀發送動作前，會進行一次原子計算（發送前預處理數據）；每次幀接收動作后，會伴隨一次原子計算（接收后處理數據）；節點MCU向傳感器模塊串口（緩存）寫數據前，會進行一次原子計算，節點MCU從傳感器模塊串口（緩存）讀數據后，會伴隨一次原子計算即一次完整通信收發(含接收、發送、串口讀和串口寫動作各1次)時的MCU計算由4次原子計算組成2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析（續）（續）設MCU計算能耗為Ecal，節點

23、初始化能耗為Eini-c，對傳感器模塊串口讀、寫動作伴隨的計算能耗為Esen-c，通信發送、接收動作伴隨的計算能耗為Ecom-c，則有Ecal=Eini-c+Esen-c+Ecom-c （7）一般， Eini-c遠小于Esen-c和Ecom-c，則式（7）變為Ecal=Esen-c+Ecom-c （8）設原子計算的平均功率為Patom；原子計算的平均用時為tatom；當前已發生的串口讀操作次數為Ns-rec(含讀失敗的情況)；當前已發生的串口寫操作次數為Ns-sen(含寫失敗的情況)，則有：Esen-c=patomtatom （Ns-rec+ Ns-sen） （9） Ecom-c=patomt

24、atom （Nc-rec+ Nc-sen） （10） 令Ncal= Ns-rec+ Ns-sen+ Nc-rec+ Nc-sen,則MCU能耗為Ecal=patomtatom Ncal （11） 2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析（續）（續）3.3.傳感器模塊采樣能耗模型傳感器模塊采樣能耗模型傳感器模塊一般進行周期性采樣，設傳感器模塊采樣能耗為Esensor，采樣平均功率為psensor，平均采樣時間為tsensor，且Nsensor為采樣次數，則有Esensor=psensortsensor Nsensor （12） 設節點的工作周期內，傳感器采樣結束后即向Sink節點發送數據，收發完

25、成后轉入睡眠狀態。且有：采樣周期=通信周期=睡眠周期再設系統當前運行時間為T，采樣周期為tcycle，則有：Nidle=Nsleep=Nsensor=T/tcycle （13） 于是，在運行時間T內的采樣能耗為：Esensor=psensortsensor T/tcycle （14） 2.6 2.6 節點能耗分析節點能耗分析（續）（續）4.4.面向應用的節點總能耗模型面向應用的節點總能耗模型設節點當前總能耗為Edepletion,則有Edepletion=Erf+Ecal+Esensor （15）將（6）（11）（13）（14）代入式（15），得Edepletion= （psentsen Nc

26、-sen + prec trec Nc-rec + pidle tidle T/tcycle+ psleep tsleep T/tcycle ）+ patomtatom Ncal + psensortsensor T/tcycle 其中， Nc-sen 、 Nc-rec 、 Ncal 值可通過在協議棧設置相應計數器獲得，其它參數可通過廠家提供的電氣參數計算或實測獲得。因此，各節點只需向Sink節點上傳3個計數器值即可進行能耗計算。2.7 2.7 常用節點介紹常用節點介紹1.Mote1.Mote系列節點系列節點Mote系列節點是無線傳感器網絡領域的主流節點。該系列節點是由美國軍方資助，加州大學伯

27、克利分校研制的用于傳感器網絡研究的演示平臺試驗節點。Mote系列節點包括WeC、Renee、Mica、Mica2和Mica2dot。2.7 2.7 常用節點介紹常用節點介紹（續）（續）Mote系列節點采用的技術和性能指標2.7 2.7 常用節點介紹常用節點介紹（續）（續）另外，Crossbow公司還有2款新產品：Micaz和Imote2。Micaz是符合ZigBee/802.15.4協議的Mote模塊，工作頻率為2.4GHz，處理器采用ATmegal128L芯片，通信模塊采樣CC2420。室外測量范圍：75m-100m；室內測量范圍：20m-30m。Imote2 是一款先進的無線傳感器節點平臺

28、。它集成了低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容IEEE 802.15.4/zigbee的射頻芯片。Imote2提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類的傳感器、A/Ds、射頻器。PXA271還包括1個幫助提高處理多媒體能力的無線 MMX協處理器。使用的是德州儀器公司的CC2420 IEEEE 802.15.4/zigbee射頻發射器。CC2420支持2.4GHz帶寬16通道250kb/s數據傳輸率。強大的cpu和高性能的射頻發射器，可以實現以視頻傳輸為代表的大處理量的無線傳感器網絡。 詳細請參閱：http:/2.7 2.7 常用節點介紹常用節點介紹（續）（續）2.Telos2.Telos節點節點Telos節點是美國國防部DARPA支持NEST項目的一部分，在處理器