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1、无线传感器网络节点的硬件设计zhangting导语：目前，无线传感器网络硬件平台可以按节点控制器类型、节点无线通讯类型、节点操纵特性等多种方式进展分类。引言目前，无线传感器网络硬件平台可以按节点控制器类型、节点无线通讯类型、节点操纵特性等多种方式进展分类。由于无线传感器网络主要关注的是检测区域内某一范围而不是某一个特定点的状态信息，因此按照节点操纵特性来进展分类的方法较为科学，它覆盖了节点的详细实现形式。按照这种方法可以将无线传感器网络分为4类1：特定传感器平台、通用传感器平台、高带宽传感器平台和网关平台。特定传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积的微型化设计，但同时也决定了其处理才能和传输才能
2、很有限。比方UCBerkeley的Specl就是在25mm25mm的硅片上集成了处理器、RAM、通讯接口和传感器的一种节点，它靠一个附带的微型电池供电可以连续工作几年，但在其原型版本中只有单向的通讯链路；再如由DAR-PAMTOMEMSprogram支持UCBerkeley研发的SmartDust也是一种超微型的节点，其设计目的体积是1mm3左右，由于使用光通讯并采用主动和被动两种工作形式，其功耗可以进一步降低。通用传感器平台对体积要求有所放宽，侧重于节点的可扩展性和测试需求，但同样对节点功耗有较严格的要求，这类平台也是目前在实验研究和产品化中应用最多的。该类型中以UCBerkeley的Mic
3、a系列节点为主要代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot、Mica-Z等不同版本。通用传感器平台对体积要求有所放宽，侧重于节点的可扩展性和测试需求，但同样对节点功耗有较严格的要求，这类平台也是目前在实验研究和产品化中应用最多的。该类型中以UCBerkeley的Mica系列节点为主要代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot、Mica-Z等不同版本。网关平台是无线传感器网络中不可缺少的局部，通常它的处理才能和接口带宽比其他几类更高。它实现的是无线传感器网络与其他类型网络之间，或是不同无线传感器网络之间的数据交换，由通用接口使用协议转换功能实现。1、网络架
4、构与节点设计11网络架构设计系统网络体系构造如图1所示。多个终端节点node与聚集节点sink决定了检测区域的范围，各节点监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点gate；然后通过串行通讯接口传送至网关计算机并接入Internet，远程的监控终端可以通过Internet获取监控范围内的监测数据。在该网络中，网关接入设备和监控终端均可使用传统的计算机实现，以下主要关注的是终端节点、聚集节点和网关节点。从数据处理强度来看，由于采用的是一种树状网络，所以终端节点数据最少，仅需在特定的检测时获取数据并送出；聚集节点数据量稍大，需要接收多个终端节点的数据并经过初步处理后送至下一聚集节点或者网关节点
5、；网关节点的数据量最大，需要接收整个检测区域内的数据并经过解析、交融、协议转换等处理后再送入Internet。从能源需求来看，终端节点能耗最小，聚集节点次之，但这两类节点通常都只能使用自带的有限能源，一旦耗尽即停顿工作；而网关节点固然能耗大，但可以采用外部能源持续供应，在功耗上可以不作苛刻要求。因此，在全网中主要针对终端节点和聚集节点的能耗作严格要求并在多层次进展优化，以最大限度地延长全网的有效工作时间。12节点设计由于无线传感器网络是一种典型的自组织网络，其拓扑构造会随着节点的参加、退出或者挪动而改变，各节点在网络中的功能也随之动态变化，因此在监测区域中的节点都应具备充当终端节点或者聚集节点
6、的才能。终端节点和聚集节点可统称为普通节点，其硬件构造如图2所示。在普通节点中设计并实现了一个8位RISC构造低功耗MCU作为系统控制核心，后面会进展具体介绍；存储器SST29VE020用作外部程序存储器，容量为256KB；AD转换器MAX152用于将外部传感器经调理后的电压信号转换为数字信号；射频收发模块使用Chipcon公司支持ZigBee协议的CC24202。网关节点与普通节点从构造上看是类似的，只是工作环境不同且功能需求有所增加，可由普通节点扩展实现。28位RISC构造低功耗MCU设计在现有的各类无线传感器网络节点硬件设计中都采用的是嵌入式领域广泛应用的一些通用途理器单元，而没有针对无
7、线传感器网络应用开发专用的控制核心，因此节点设计中会受到体积、功耗、接口、资源等方面的限制，甚至在某些设计中还存在资源浪费的情况。这对节点的低功耗、微型化设计非常不利，因此在本设计中自行设计并实现了一种8位RISC构造低功耗MCU，作为节点控制核心。21MCU构造设计MCU硬件构造如图3所示。在该设计中MCU采用了与ELAN公司EM78系列MCU指令集兼容的形式，完成原型开发。CPU采用两级流水，使用两相时钟控制完成预取指操纵，在跳转指令后自动参加一条空操纵指令NOP完成对转移类操纵的控制。目前在同等总线时钟频率的情况下，该CPU的操纵速度比EM78系列MCU快一倍。MCU外部程序存储器采用2
8、56K8位构造，实际使用时由相邻奇偶地址单元构成128K16位形式，以知足13位宽度指令集的需求。用于取指操纵的存放器R2PC为17位宽，其中高7位用作程序存储器128个页面的寻址；低10位用于页内寻址；存放器R5存储当前工作页面地址，由指令解码器断定并操纵向R2的传递。这种寻址方式有利于物理构造上同样采用分页形式的Flash存储器的操纵。MCU片内存储器包括4KB数据RAM、128字节通用存放器RAM以及其他特殊存放器。为缩小CPU的直接寻址范围和知足固定短字长指令集的使用，各存储器采用了分页、分块和映像的统一组织方式。特殊存放器包括MCU各模块存放器和IO存放器，共分为6页，每页最大16字
9、节，使用存放器R3进展页面的切换操纵；由于存放器并不完全占用所有地址空间，暂缺的局部留作以后扩展。128字节通用存放器RAM分为4个块，每块32字节，使用存放器R4进展块切换操纵，固然进展了分块但仍然设计了直接和间接两种寻址方式，进步了其操纵灵敏度。该局部空间主要由程序中变量使用，而分块的构造在节省地址空间的同时也增强了各函数变量间的保护机制，有利于嵌入式操纵系统的应用。4KB数据RAM被映像到分页的数据存放器之中，通过16位宽的地址接口和8位宽的数据接口进展存取操纵，极大地缩小了直接寻址空间。目前这种存储器组织方式固然会增加一些数据存取的开销，但在运算负荷并不重的节点系统中使用不会影响其性能
10、，并且可以在编译器层次针对这种构造对代码进展优化。这种形式带来的优点是可以简化CPU的硬件构造，显著减小节点体积和降低功耗，从总体上来看对节点系统构造是有利的。MCU中共有8个外部中断源和5个内部中断源。8个外部中断源与端口PORT7复用引脚，并可以设定上升沿或者下降沿触发形式，以知足不同外设接口的需要。5个内部中断源分别来自TCC、COUNTER1、COUNTER2、UART和SPI模块。TCC模块可利用外部时钟进展计时操纵，为操纵系统进展时间片的划分提供根本硬件支持；COUNTER1和COUNTER2采用内部总线时钟计数，除根本的计数和定时功能外，还可将其与外部中断引脚配合实现输入捕捉或者
11、输出比拟功能；UART和SPI模块的中断主要用于通讯效劳程序。2.2设计中的低功耗考虑由于无线传感器网络的应用特点决定其设计必须围绕低功耗进展，因此作为节点控制核心的MCU的低功耗设计也相当重要。在设计中从系统层次和逻辑层次的三个方面进展低功耗考虑：工作电压、时钟控制和电路规模。工作电压主要与芯片制造工艺相关，目前选用33V工作电压以O18mCMOS工艺设计，由于制造工艺环节不在我们的可控范围内，故在此不作更多讨论。在时钟控制方面主要使用了门控时钟、两相时钟流水和休眠唤醒机制。门控时钟主要采用使能信号控制各独立模块和电路的时钟信号;，以灵敏地开启和关闭各触发器的翻转来到达降低功耗的目的。两相时
12、钟流水主要用于进步CPU的顺序取指执行速度，采用这种方式可以在同等总线时钟和同样工作负荷的情况下缩短CPU的工作时间，从系统层次来看减小了CPU的工作占空比，进而降低功耗。休眠唤醒机制的根本原理是关闭系统中暂时不使用的局部甚至是CPU的核心模块，以降低系统总体的能源消耗。在该MCU中设计了全速工作形式working和两种低功耗休眠形式sleep1、sleep2，如图4所示。这两种休眠形式下都会关闭系统主时钟，但其唤醒方式和程序运行形式有所不同。通过执行SLEP指令即可将MCU切换至sLeep1形式。在进入该形式前需要启用看门狗电路以使看门狗复位或者外部复位信号恢复工作状态；恢复working形
13、式后系统重启并重新开场执行程序，以前的信息将会丧失。这种方式合适于系统长时间休眠且唤醒后系统重新工作的情况。要进入sleep2形式只需将存放器RA中的SLPC位置位。该形式与sleep1的主要区别是可以使用中断信号唤醒CPU并且继续执行休眠前的程序，不会丧失任何信息。这种方式在无线传感器网络中大量使用，由于MCU工作的时间远远小于节点信息收集和系统组网等操纵的时间间隔，所以在操纵系统中即可充分利用这种形式以降低MCU的工作占空比。在电路规模方面采用了RISC架构设计，该CPU共支持58条精简指令，每条指令固定为13位长度，有效减小了CPU核的规模和存储体系规模。位于MCU中的其他接口功能模块采
14、用了独立IP的组成形式，可以根据需求很方便地进展功能裁减，以到达对嵌入式环境的最正确适应。3、平台的实现31节点的实现在该设计中已使用FPGA平台对自行设计的MCU进展了验证，并采用O18mCMOS工艺进展了后端设计、仿真并投片，到达了设计要求。目前的设计中MCU共占用了3mm3mm的硅片面积，但实际的逻辑及存储局部仅占1/3左右，主要原因是保存了较多暂时未用的引脚及测试引脚，增加了设计周长。在原型版本的节点中A/D转换模块采用了商用芯片MAX152，同时还设计了与之兼容的AD电路并与MCU一同投片，将在后期版本中进展混合信号设计进而实现系统集成。32网络构造实现在该无线传感器网络节点平台上成功移植了TinyOS嵌入式操纵系统，实现了对环境温度的收集处理、射频模块的操纵以及多跳自组织网络的构造，并通过网关节点聚集监测区域信息数据，利用IPv6网络传递至监控终端，实现了无线传感器网络的根本功能。4、小结本设计采用了典型的无线传感器网络节点架构，开发出属于通用传感器平台类型的原型版本，使用自行设计的低功耗MCU实现了系统集成和微型化。0