无线传感器网络硬件设计综述

引言

　　无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

　　在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是

图1  无线传感器网络节点典型组成

1  无线传感器网络典型节点

　　传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。因为无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽可能延长无线传感器网络的寿命。

　　由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器。常用的无线通信协议有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定义协议；处理器从4位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的单片机，典型的是WiseNet。典型无线传感器网络节点如表1所列。

　　本文介绍了无线传感器网络的概念、特点以及无线传感器网络节点的组成，重点分析比较节点各组成单元各种常用芯片的特点，并且始终将低功耗作为比较的重要标准之一。

2  典型无线传感器网络节点比较

　　目前，国内外研究人员已经开发出多种无线传感器网络节点，其实这些节点的组成部分是类似的，只是其应用背景不同，对节点性能的要求也不尽相同，因此所采用的硬件组件有很大差异。

2.1  处理器单元

　　处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但处理能力也非常有限。Berkerly大学研制的Mica系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2节点采用Atmel增强型微控制器 ATmega128L。该微控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM,拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线芯片和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。采用该处理器的另外一个优点是：编译器很多，其中GCC（WINAVR）是完全免费、开放的软件。由于以上优点和Mica2节点的影响，在实际的无线传感器设计中应用很多。但是从低功耗角度来讲，该芯片并不是最佳选择。

　　如表1所列，就低功耗而言，MSP430F1xx MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1.8 V，实时时钟待机电流的消耗仅为 1.1 μA，而运行模式电流低至 300 μA (1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 μs。PIC系列微控制器也有低功耗的产品问世。Toles节点和ZebraNet节点就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。在某些数据量大的应用中，高端的处理器也有应用。例如μAMPS1节点采用StrongARM处理器SA1110，功耗为27～976 mW。该处理器支持DVS节能，可以降低功耗450 mW左右；关掉无线模块功耗可以降低300 mW。μAMPS2采用的处理器是DSP。XYZnode采用的处理器是OKI公司的ARMTDMI内核的ML67Q5002，该处理器也支持DFS（动态频率调节），工作电流为15～72 mA，频率为1.8～57.6 MHz。

表1  典型无线传感器网络节点

　　从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，多数支持DVS（动态电压调节）或DFS（动态频率调节）等节能策略，但是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用；此外，采用高端处理器来作为网关节点也是不错的选择。表2中最后3款处理器是ARM内核的处理器，功耗明显比低端微控制器高很多。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功率也很小。在选择处理器时应该首先考虑系统对处理能力的需要，然后再考虑功耗问题。

表2  各种常见的微控制器性能比较

2.2  无线传输技术及芯片

　　可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，常用的无线通信技术有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段，如表3所列。利用激光作为传输媒体，功耗比用电磁波低，更安全。缺点是：只能直线传输；易受大气状况影响；传输具有方向性。这些缺点决定这不是一种理想的传输介质。红外线的传输也具有方向性，距离短，不需要天线。芯片 83F88S是一种符合IrDA标准的无线收发芯片。UWB具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数cm的定位精度等优点；缺点是传输距离只有10 m左右，隔墙穿透力不好。802.11b因为功耗高而应用不多，Bluetooth工作在2.4 GHz频段，传输速率可达10 Mbps；缺点是传输距离只有10 m左右，完整协议栈有250 KB，不适合使用低端处理器，多用于家庭个人无线局域网，在无线传感器网络中也有所应用。在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。 ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。目前市场上常见的支持ZigBee协议的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半导体公司，Figure8公司还专门开发了ZigBee协议栈。Chipcon公司的 CC2420芯片应用较多，Toles节点和XYZ节点都是采用该芯片；Chipcon公司提供包含Figure8公司开发的ZigBee协议的完整开发套件。Freescale半导体公司提供ZigBee的2.4 GHz无线传输芯片有MC13191、MC13192、MC13193；该公司还提供配套的开发套件。

表3  应用于无线传感器网络的无线通信技术

　　普通的射频芯片也是一种理想的选择，可以自定义通信协议，比较有代表性的MAC协议有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由协议有Gossiping、SPIN协议、LEACH协议、TEEN协议等。从性能、成本、功耗方面考虑，RFM公司的TR1000和 Chipcon公司的CC1000是理想的选择。这两种芯片各有所长，TR1000功耗低一些，CC1000灵敏度高一些，传输距离更远。WeC、 Renee和Mica节点均采用TR1000芯片；Mica2采用CC1000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CC1020芯片，传输速率可达 153.6 kbps，支持OOK、FSK和GFSK调制方式；Micaz节点则采用CC2420 ZigBee芯片。还有一类无线芯片本身集成了处理器，例如CC2430是在CC2420的基础上集成了51内核的单片机；CC1010是在CC1000 的基础上集成了51内核的单片机，使得芯片的集成度进一步提高。WiseNet节点采用的是CC1010芯片。常见的无线芯片还有Nordic公司的 nRF905、nRF2401等系列芯片，因为功耗较高，接收灵敏度比较低，开发难度较大，在实际的无线传感器网络中应用较少。常用无线芯片的主要参数比较如表4所列。

表4  常用无线芯片主要参数比较

2.3  电源模块

　　电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要，DCDC模块的效率也至关重要；另外，还可以利用自然界的能源来补充电池的能量。

　　按照能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高，如果没有能量补给来源，则应选择不可充

表5  常见电池的性能参数

2.4  传感器模块

　　传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量。美国Crossbow公司基于Mica节点开发了一系列传感器板，采用的传感器有光敏电阻Clairex CL94L、温敏电阻ERTJ1VR103J（松下电子公司）、加速度传感器ADI ADXL202、磁传感器Honeywell HMC1002等。温湿度传感器SHTxx系列能支持低功耗模式，采集完数据后自动转入休眠模式，电流小于1 μA。

　　传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器（几百μA），可由处理器I/O口直接驱动；当不用该传感器时，将I/O口设置为输入方式。这样外部传感器没有能量输入，也就没有能量消耗，例如温度传感器DS18B20可以采用这种方式。对于大电流工作的传感器模块，I/O口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管（如Irlm16402）来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制，MAX4678就是这样一款芯片。

3  结论

　　由于应用背景不同，目前国内外存在很多硬件平台，采用的无线通信技术也有很多种。本文主要总结了目前常见的无线传感器网络硬件平台，分析比较了常用的处理器、无线芯片、无线通信技术、传感器和电源，并始终把功耗作为考虑的重要比较因素之一。通过对无线传感器网络硬件平台的详细分析，期望能对我国的无线传感器网络的研究和发展起到积极作用。

参考文献

[1]  孙利民，李建中，等.无线传感器网络. 北京： 清华大学出版社，2005：110.
[2]  Matt Wilczynski, GregoryJ.WirelessIntegratedNetwork Sensors (WINS): Distributed In Situ Sensing for Mission and Flight Systems Sandeep Vardhan, Pottie, University of California, Los Angeles, Los Angeles, California, 90095 IEEE 2000.
[3]  Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler.Telos: Enabling UltraLow Power Wireless Research.  Computer Science Department University of California, Berkeley IEEE 2005.
[4]  EnfrgyCentric Enabling Technologies for Wireless Sensor Networks Rex Min, Manish Bhardwaj,Massachusetts Institute of Technology IEEE Wireless Communications August 2002:2839.
[5]  Robert Szewczyk. Telos: Enabling UltraLow Power Wireless Research Joseph Polastre. Computer Science Department University of California, Berkeley 2005 IEEE: 364368.
[6]  Christopher M. Hardware Design Experiences in ZebraNet Pei Zhang. Sadler Department of Electrical Engineering Princeton University SenSys'04, November 35, 2004, Baltimore, Maryland, USA: 273281.
[7]  崔莉，鞠海玲,等. 无线传感器网络研究进展. 计算机研究与发展,2005: 167169.

基于IEEE802.15.4无线传感器网络的IPv6协议栈

摘要 基于IPv6 over IEEE802.15.4的无线传感器网络是目前研究的一个热点。其中，设计适合传感器节点的嵌入式IPv6协议栈是一个关键。本文在分析了IEEE802.15.4和无线传感器网络的特点后，针对这些特点提出一种嵌入式IPv6协议栈的设计方案；并在本文的最后，总结了设计时要考虑的关键因素。

关键词 无线传感器网络 IPv6协议栈 IEEE802.15.4 6LowPan

引言

　　随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来的各领域持续发挥其影响力。集成了网络技术、嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便携或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE802.15.4标准的主要市场对象。

　　一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP地址资源；另一方面，由于无线传感器网络的应用领域往往对安全性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制。IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求。所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN）工作组。它规定了6LowPan技术在底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将IPv6与IEEE802.15.4展开，实现IPv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于IPv6 over IEEE802.15.4的无线传感器网络的关键问题。目前这方面研究成为了一个很活跃的方向。其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。

　　本文在分析了无线传感器网络和IPv6 over IEEE802.15.4的技术特点之后，重点提出了一种能够适用于无线传感器网络，且底层采用IEEE802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案。最后，还总结了基于IPv6 over IEEE802.15.4无线传感器网络协议栈设计的核心原则。

1  无线传感器网络和IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点

1.1  无线传感器网络简介

　　无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络。图1给出了无线传感器网络的工作原理，图中分散的无线传感器节点通过自组织方式形成传感器网络。节点负责采集周围的相关信息，并采用多跳方式将这些信息通过Internet或其他网络传递到远端的监控设备。

图1  无线传感器网络工作原理 

　　无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每个传感器节点由数据采集模块(传感器、A／D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)以及供电模块(电池、DC／DC能量转换器)等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或者簇头节点(cluster head node) 的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度和湿度)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(base station)或汇节点(sink node)；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点；作为簇头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。与传统Ad Hoc网络相比，无线传感器网络具有一些明显的特征： ① 网络节点密度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的Ad Hoc网络；② 传感器节点由电池供电，节点能量有限；③ 网络拓扑变化频繁；④ 网络应具备容错能力。正是由于以上特点，IPv6与无线传感器网络的结合对IPv6提出了一些新的要求，如IPv6地址自动分配机制和IPv6包头压缩机制；另外，还有一些管理问题、与无线数据链路层接口问题等。因此，设计IPv6微型协议栈时，除了要实现功能完整、高效实用、占用的存储资源少以外，如上所述的一些新要求也应考虑进来。

1.2  IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点

　　IEEE 802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术，主要定义物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，主要应用场合是读表自动化、自动化控制和传感器网络。IEEE802.15.4针对的就是低复杂度、低功耗、低数据速率的短距离网络，目标是将普通小型电池的使用寿命延长到几年。当芯片批量生产时，每个802.15.4设备的销售价格最终不到3美元，将很好地满足无线传感器网络的要求。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，即2.4 GHz物理层和868/915  MHz物理层。这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理层数据包格式；区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4 GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段，有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4 GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。868 MHz是欧洲的ISM频段，915 MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868 MHz的传输速率为20 kb/s，915 MHz是40 kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较低，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域，这些特点使其非常符合传感器网络的应用要求。如前所述，IEEE 802.15.4只规定了物理层和MAC层，并且其市场目标主要是无线传感器网络，所以在选择网络层标准时，考虑到无线传感器网络对地址和安全性等方面的要求，以及下一代互联网协议IPv6的不断发展和完善，在嵌入式设备中引入IPv6协议也将成为一种必然趋势。因此，6LowPan组织建议采取如图2所示的嵌入式IPv6协议栈，在设计时要充分考虑资源受限与功能相对完善之间的折中。

图2  嵌入式IPv6协议栈

2  嵌入式IPv6协议栈的设计

2.1  嵌入式IPv6协议栈的设计思想

　　由于无线传感器网络节点一般都是嵌入式设备，所以嵌入式IPv6协议栈的设计主要应突出“微型化”的思想。TCP/IP协议最先是在Uuix系统里实现的，由于嵌入式系统与PC机的差别很大，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议与在操作系统中的实现有很大不同,所以这是设计的核心环节。嵌入式系统的IPv6微型协议栈，直接面对硬件，没有一个多任务操作系统平台;MCU中的程序结构一般是顺序执行和硬件中断相配合的方式，与高级操作系统中多线程并发执行的方式截然不同。因为单片机上系统的各种资源是有限的，例如CPU的处理速度、字长，RAM、ROM存储器的容量以及接口的数量等与通用计算机相比有很大差距，所以如何使协议栈做到精细、通信可靠、功能相对完善，而且又能发挥单片机的特点成为IPv6微型协议栈设计的关键问题。“微型化”思想主要体现在设计方案核心应着眼于设计体积小，但又不影响运行的协议栈，所以要对协议栈的裁剪方面进行深入研究，去掉不必要的组件、传统的复杂调度机制和额外的扩展功能，甚至可以去除操作系统等。

　　综合研究以上多方面因素，提出了能够适用于无线传感器网络的嵌入式IPv6微型协议栈的设计要求。

　　①  协议栈运行于单片机系统上，具有较强的兼容性。可以在以太网上正确运行，同时在此基础上可以借助IEEE802.15.4 MAC的无线数据传输功能来传送数据包。
　　②  实现IPv6基本协议栈核心协议的最基本功能，包括IPv6基本描述协议、ND（邻居发现）协议、ICMPv6（因特网控制报文）协议和IPv6地址的自动配置协议等。

　　◆ IPv6基本描述协议： IPv6数据包的发送、接收、处理等基本功能。
　　◆ ND（邻居发现）协议： 邻居发现的地址解析功能，实现邻居请求和邻居通告。
　　◆ ICMPv6（因特网控制报文）协议： 主要实现控制报文的消息处理，以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复。
　　◆ IPv6地址自动配置协议： 根据IPv6地址格式的要求，主要实现IPv6链路本地地址的配置和请求节点多播地址的配置。

　　③  利用对校验和字段的计算与处理来提高ICMPv6、TCP等协议运行的正确性。
　　④  实现简单的应用层协议（如TELNET/SNMP协议），利用远程终端可以登录到运行嵌入式IPv6协议栈的单片机系统，以及进行简单的控制和管理操作。

2.2  嵌入式IPv6协议栈的分层与模块化设计

　　嵌入式IPv6协议栈采用分层结构进行设计，将整个协议栈（包括TCP及上层应用）分为4个层次: 事件触发接口层、TCP/IP网络协议层、NIC网络接口核心层和网络设备驱动接口层。

　　图3是对整个协议栈的分层描述，在协议栈的工作过程中使用上层调用相邻层的函数来实现相应的功能。

图3  协议栈分层对象时序图

　　各层的功能简述如下：

　　①  事件触发接口层。该层对应于TCP/IP模型的应用层协议（OSI模型的高层协议），主要功能是定义网络数据的格式以及网络的应用。
　　②  TCP/IP网络协议层。该层对应于TCP/IP模型的传输层协议和网络层协议（OSI模型的3、4两层），主要功能是定义数据如何传输到目的地的。使用TCP协议在两台主机之间建立端到端的连接，保证可靠的传输；IP协议进行路由选择和基于IP的寻址。
　　③  NIC网络接口核心层。该层是整个网络接口的关键部位，其上层是具体的网络协议，下层是驱动程序。它为上层提供统一的发送接口，屏蔽各种各样的物理介质；同时负责把来自下层的包向合适的协议发送。
　　④  网络设备驱动接口层。该层是分层结构的最底层，其主要功能是控制具体物理介质，从物理介质接收和发送数据，并对物理介质进行诸如最大数据包之类的各种设置。

　　结合对嵌入式IPv6协议栈设计要求和分层结构的全面分析，将设计实现划分为4个模块，如图4所示。

图4  各功能模块及其关系示意图

　　各模块的功能简述如下：

　　①  网络接口核心模块。该模块为网络协议提供统一的发送接口，屏蔽各种各样的物理介质；同时负责把来自下层的包向合适的协议配送。
　　②  事件接口模块。嵌入式IPv6协议栈没有采用BSD套接口，而是采用了事件驱动接口。当特定TCP/IP事件发生时，将调用应用程序；而当应用程序产生输出数据时，也通过此接口发送出去。
　　③  SNMP网管模块。该模块负责获取IPv6无线传感器网络节点的相关MIB信息。
　　④  配置显示调试命令模块。该模块用于提供用户配置和调试的界面，包括配置IP地址、子网掩码、默认网关和MAC地址等。在程序正常运行前，由超级终端进入配置模式，由用户进行配置管理。

结语

　　基于IPv6 over IEEE802.15.4的无线传感器网络是一门新兴的网络技术，人们对它的研究尚处于起步阶段。本文针对基于IPv6 over IEEE802.15.4无线传感器网络自身特点，对其关键技术嵌入式IPv6协议栈进行了分析。笔者认为，现有的IPv6协议栈虽然在功能、性能等方面具有很大优势，但由于代码体积较大（几MB~几百MB），而无线传感器网络节点的存储资源只有不到200 KB，因而无法运行在计算能力和存储资源受限的无线传感器网络节点中。所以在设计适合传感器节点的嵌入式IPv6协议栈时，应充分分析和研究无线传感器网络对IPv6提出的新要求，考虑在性能和资源之间寻找一个折中的方案，充分运用协议工程学理论和软件工程的方法，设计一种合理、高效的嵌入式IPv6微型协议栈。这对推动无线传感器网络和IPv6的发展，以及改变人们的生活和工作方式，具有十分重要的意义。

参考文献

[1]  马祖长，孙怡宁，梅涛．无线传感器网络综述．通信学报，2004，25(4)：114-124.
[2]  丰原．无线传感器网络．软件学报，2003，14(7).
[3]  郦亮.802.15.4标准及其应用.电子设计应用，2003（2）.
[4]  Jack W ．Embedded Internet technology in process control devices. IEEE Internet Computing，2000，34(3)：301308.

基于移动Agent的无线传感器网络数据管理框架

0 引言

低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术、卫星传感器技术及集成电路技术的飞速发展和日益成熟，使得大量低成本的卫星传感器通过无线链路自组织成无线传感器网络成为现实。无线传感器网络具有自组织性、自适应性与容错性高等特点，在军事、工农业、生物医疗、环境监测等许多重要领域具有十分广泛的应用前景[1]。

无线传感器网络大量传感器节点（sensor node）和少数汇聚节点（sink node）组成。位于监测区域的传感器节点负责采集相关数据信息，最终将数据传送至汇聚节点，无线传感器网络是以数据为中心的，其目标是采集具有某种特征属性的数据，而不关心数据具体来源于哪个传感器节点。基于上述思想，数据库研究者把无线传感器网络抽象为数据系统，使无线传感器网络的物理实现与应用相分离[2]。由于无线传感器网络数据特点是数据量大、时效性强、网络节点在能量、计算、存储及通信能力方面存在局限性[3]，所以良好的数据管理技术能够提高传感器节点协作感知、采集、处理、发布数据信息的效率，进而更好地确定无线传感器网络的可用性和有效性。

移动Agent是一种分布式计算技术，具有很多优点。本文提出个一种基于移动Agent技术改进现有的无线传感器网络数据管理模式的框架，利用移动Agent不仅收集数据而且能够处理数据的特点，减轻数据管理中心负载，克服了当前数据管理方案的局限性。

1 移动Agent机制[4]

移动Agent是分布式计算技术和人工智能技术相结合的产物，本质上是一个程序实体，拥有一定的智能和判断能力，它可以自己的控制下，按照一定的规程在网络节点间迁移，寻找并处理合适的资源，代表用户完成特定的任务。Agent在一个执行环境中被创建后，能够携带自身状态和代码在网络中迁移到另一个环境中恢复执行。

移动Agent的特性主要体现以下几个方面：

a）自主性：Agent一旦被初始化便可独立执行，无需后来的直接干预，Agent控制自身的内部状态和外部行为，也可以被授权做出某种决定，完成相关的任务。
b）反应性：Agent能感知和作用于其所处的环境，对环境的变化能做出及时的响应，这些环境可以是物理的世界、使用图形接口的用户、其他Agent集合或所有这些的组合。
c）能动性：Agent不仅能对所处环境做出响应，还能主动展现面向目标的行为。
d）通信性：Agent之间的交互随任务驱动的变化而进行调整，彼此协作完成复杂的任务。
e）移动性：Agent可在一个网络上随时、自主地实现节点间迁移，正在运行中的Agent状态可以被存储且传送到目标节点，且中止Agent程序可以被恢复执行。

2 数据管理体系结构

目前，无线传感器网络数据管理大多采用近似客户/服务器的数据处理模式[5]，可分为集中式数据管理结构和分布式数据管理结构两种。

集中式数据管理结构的特点是感知数据的处理和无线传感器网络的访问是相对独立的，各传感器节点感知的数据经多跳后路由至汇聚中心或服务器处理，网络的数据管理决策由处理中心负责，这种方法很简单，但是由于所有传感器的数据都要求传送到中心处理节点，通信开销很大，使用范围较小。

分布式数据管理结构又称网内处理结构。考虑到无线传感器网络节点的大规模分布，大量冗余信息传输可能造成的能耗损失及较大的通信开销，因此分布式数据关系结构特点是网络中部分传感器节点除负担数据转发任务外，还负责部分的数据管理任务，如执行聚集操作等。

3 基于移动Agent的数据管理框架

在支撑传感器网络实际数据服务环境中，上述体系结构在占用网络带宽、负载平衡以及因节点失效而动态调整数据处理策略等方面尚存在不足[6]。
基于移动Agent的数据管理思想是利用Agent将网内数据驻留在获取它的节点上，通过Agent或计算引擎将特定信息需求的代码及状态在网络中传播与处理，并将最终的信息返回给数据管理中心（汇聚节点或中心服务器）。
基于移动Agent的无线传感器网络如图1所示。

结合无线传感器网络数据的分布式特点以及数据管理任务的分派方式，基于移动Agent的网络数据管理框架主要包括移动Agent实体与移动Agent服务环境两部分。如图2所示。

移动Agent服务环境是系统的核心部分，提供一个位置透明、便于控制、安全可靠的数据管理执行环境，主要负责移动Agent的创建、运行、挂起、终止、传送和接收等工作。该服务环境依据预置的初始任务执行方案，确定Agent的迁移与协作的策略以及传输通信机制。

移动Agent实体包括服务Agent和信使Agent两类，是网络数据管理任务的分派与执行者。服务Agent驻留于移动Agent服务环境，为信使Agent提供资源和基础环境的访问支持与任务决策。服务Agent按照MACP（移动代理控制协议），发送移动Agent程序，并根据网络数据状态信息控制其行为。信使Agent在网络数据源之间移动，利用对资源的控制来满足远程数据源访问的目的。
与目前网内处理的数据管理体系结构相比较，基于移动Agent的数据管理框架是通过移动代理技术，将代理支撑环境驻留在节点设备上，基于移动Agent服务环境的数据管理中心，根据实际网络状态选择适当功能的Agent程序发送到目标节点，在Agent运行环境中生成程序实例（instance），完成预期功能。该管理框架本质上是利用Agent灵活的数据收集与计算能力，将处理功能移向数据源本地，使得数据管理所需的计算最大限度地分布于整个网络，各传感节点的感知数据通过Agent自主管理，并能及时获得性能态势，另外，Agent之间的协商与知识学习机制，利用动态实现数据处理任务的决策，满足传感器网络性能优化。

4 移动Agent的内部结构

用于网络数据管理的移动Agent是指根据数据管理需求动态发布到数据源节点，并在目标节点执行的一段程序，目的是优化管理，Agent的行为（启动、挂起、终止、删除）完全受控于发送它的进程，如图3所示，移动Agent的结构包括通信层、推理机、管理层和Agent知识库4部分，一个移动Agent的内部行为表现为通信层接收外部环境的信息（来自其他Agent的消息与请求），由推理机（包含数据处理相关的先验规则集）根据这些消息、请求以及Agent的状态，与知识库交互学习。

服务Agent的关系任务决策层根据推理机得出的结果做出合理的任务判决，通过通信层将任务分派给信使Agent，信使Agent获得分派任务后，执行迁移动作，到达目标节点后，信使Agent对获知的传感器节点数据进行分析、推理后，执行相关的动作（采集、融合、查询等），同时更新Agent状态信息，并确定需完成的下一个管理任务集。信使Agent完成任务后，将结果传送给服务Agent。

5 移动Agent之间的通信机制

移动Agent通信层支持分布式决策中的协商过程，接收来自其他Agent的执行请求、通知或结果信息。协商过程要求能及时了解传感器所完成的数据处理能力，移动Agent之间的通信消息来自Agent内部的决策过程，包含数据管理相关的标识、类型、内容及发送和接收者。系统数据管理决策任务优先级由服务Agent确定，执行任务的优先级则由信使Agent确定。管理任务的性能指标经移动Agent间的协商确定。

6 结束语

目前，无线传感器网络存在感知数据量大、无线通信带宽低、每个网络节点分配到的能量有限、所在环境不可靠等问题。移动Agent应用于无线传感器网络数据管理将有助于在带宽、能量受限的不稳定动态环境中处理大量数据，减少开发和应用成本，在一定程度上降低无线传感器网络数据管理的复杂性，在以后的研究中，将在数据管理体系结构的形式化表示技术以及能耗分析上做进一步深入的研究。

无线传感器网络特点分析与分层设计方法

自组无线传感器网络在周期性采样、事件驱动和“存储与转发”中得到很多应用，为了满足这些应用对功耗、传输距离及数据率的要求，工程师必须对相关的网络结构、网络协议和功耗等性能特点全面深入了解。本文介绍了支持这种标准的三种网络结构的优缺点，并说明了在进行协议堆栈各层设计及不同应用时的注意事项。

　　自组无线传感器网络在工业、医疗、消费及军事中有直接的应用，为实现这些应用对功耗、传输距离和数据率的要求，业界提出了一种无线新技术标准-IEEE802.15.4。该技术的功耗和数据率均低于蓝牙技术，在具体实现时将面临一些困难，例如电池的使用和设备大小等。此外，这种网络协议在包括延时、节点搜寻时间、传输路径查找以及消息确认等方面还存在挑战。为了正确运用这种技术，我们有必要全面了解它的物理及数据链路层参数。

　　与存在很多不同规格的蓝牙设备不同，自组无线传感器网络设备通常只有三种应用，即周期性采样、事件驱动和“存储与转发”。实现该技术的网络结构也有三种：星状网、网状网及混合网(星状网+网状网)。每种网络结构都有自身的优点和缺点，用户必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。

　　微电机系统、低功耗无线电路和数字电路设计的飞速发展在很大程度上促成了这种低功耗自组网的产生和应用。目前无线传感器网络的功耗可降低到毫安级以下，因此传感器节点可使用一颗3V直流纽扣式电池来供电，根据不同的采样率，其工作时间可以达五年或以上。采用纽扣式电池的此类传感器节点外型小巧，便于携带且易于设计到小型设备中。这些低功耗、低数据率的应用包括工厂中各种精密数字辅助测量仪器，如水表和煤气抄表、供应链出货量监测和个人标记佩戴报告等。这些应用有三个共同要求：外型小、电池寿命长以及具有鲁棒特性，满足这些要求的前提条件是选择适当的网络结构。

　　网络拓扑结构

　　基本的星状网拓扑结构是一个单跳(single-hop)系统，网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，通常ISM频段的传输距离为10-30米。

　　网状拓扑结构是多跳(hop，即一次中继)系统，其中所有无线传感器节点都相同，而且直接互相通信，与基站进行数据传输和相互传输命令。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容故障能力较强。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多，但功耗也更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。

　　混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点。在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状分布。中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。由于无线传感器节点可与多个路由器或中继器通信，当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组。

　　形状因素

　　无线传感器网络节点的典型配置包括两个主要组成部分：RF收发器(模拟器件，工作频率为300MHz-2.4GHz ISM高频频段)和MCU(数字器件，通常工作在kHz-MHz的低频频段)。RF收发器通常带有各种外部元件，如电感、电容或声表面波滤波器。由于这些外部元件体积庞大而且成本较高，因此RF电路很难满足尺寸和成本要求。随着CMOS工艺迅速进步，目前市面上出现了一些小型的低成本高集成度RF收发器。

　　与此同时，现成的工业微控制器的性能和集成度也迅速提高。MCU集成了越来越多的外围电路，成本却没有增加太多。例如，一些微控制器带有内建的电压监测/调节器，而此前这些都是MCU的外部元件。一些微控制器甚至还包括了片上低功耗实时时钟和硬件加密模块，减少了数字电路的尺寸和成本。

　　这些“组合”芯片的出现令人鼓舞，目前多家公司正在推出集成了RF收发器和MCU的单芯片产品。由于RF和数字电路之间存在串扰和噪音问题，以前很难实现两者集成，随着CMOS RF技术不断改进，现在可设计出RF-数字集成芯片，进一步减少了产品尺寸和成本。

　　降低系统功耗

　　无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统网络的连线限制和成本问题。但是，如果没有合适的无线电源，这一优势就无法体现出来，因此电源效率是设计考虑的关键因素，因为如果必须时常更换电池(例如每周或每月)，那么相关的劳动力成本便会远远超过它相对有线网络节省的成本。因此，电池必须具有较长的寿命(通常5-10年)。此外，由于传感器网络的理念是“随时随地无线”，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素，对传感器节点来说，很多时候即使采用AA电池也会超出体积要求，因此只能选择纽扣式电池供电。

　　在完全工作状态下，RF元件通常占70%的总功耗，接收比发送的功耗更大。RF元件在开关或从睡眠状态转为工作状态时也会产生大量功耗。因此，进行功率预算设计时必须全面考虑到这些情况。

　　RF电路的功耗与调制方式有极大关系。蓝牙等宽带RF芯片比窄带无线芯片的基带处理更为复杂，因此功耗更大。尽管宽带无线产品的抗干扰能力更强，但对于很多传感器网络应用来说窄带无线技术更实用且功耗更低。目前多家公司提供的RF芯片解决方案可实现高达1Mbps的数据率，接收模式(Rx)的灵敏度低于85dBm，电压为3Vdc时电流不到10mA。当前一些新开发的RF芯片的工作频率为2.4GHz，电流为15mA。考虑到2.4GHz频段在全球管制及覆盖率方面的优势，这些RF芯片非常适用于无线传感器网络系统。

　　另外，业界在微控制器的功耗控制方面也取得极大的进展。此前8位微控制器的典型功耗为4mA/Mips，而现在采用先进的芯片制造工艺和新型微控制器结构后，一些新器件的功耗已降低到0.5mA/Mips，这样有助于降低无线节点的整体功耗。

　　网络协议

　　符合开放式系统互连模式的自组无线传感器网络的典型协议堆栈。一般说来，如果参考模型中的各层接口一致定义后，每一层可独立设计。但是，为了建立一个可靠并具有严格功耗预算的自组传感器网络，协议堆栈中的所有层都应满足同样的系统级要求，例如功耗约束、带宽效率、适应性及鲁棒性要求。为使解决方案切实可行，所有层都必须进行设计折衷，同时要考虑信道传输能力和设备处理速度等自身的局限性以及RF链路质量的变化。

　　物理层设计

　　从无线信号路径损耗模型中我们可以看出，输出功率随着无线覆盖范围增加呈指数级增长。在自由空间中这一指数为2，在又各种阻挡的杂乱环境中为4。在相同端对端距离情况下，如果每个链路采用有限的传输功率，采用多链路传输所产生的功耗比直接在一个长链路中传输信息的功耗更低。为了延长电池的寿命，传感器网络应该采用收发功耗极低的无线设备，同时在需要长距离传输时使用多跳方式。蜂窝电话、IEEE802.11及蓝牙等流行的无线设备的典型电流值为30mA以上，因此不适用于这种应用场合。

　　如前所述，采用先进CMOS工艺技术生产的低功耗芯片现已上市，它们可实现100英尺的直线传输距离，在3Vdc工作电压条件下电流为10mA。当这些无线设备占空比(duty cycle)低于0.1%时，220mA-hr的纽扣式电池在一般得环境中可持续工作两年以上。

　　但是，在传感器网络应用中，这还取决于信道共享和数据路由情况，降低单个节点的占空比会直接影响网络性能。因此，在设计协议堆栈的高层时必须注意这点，以便支持占空比极低的物理层实现。

　　数据链路层

　　协议堆栈中的数据链路层通常提供两个主要服务：媒体访问控制(MAC)和错误控制。在多种MAC方式中，载波监听多点接入(CSMA)在自组传感器网络中最为常用。这主要是因为它易于实现，但更重要的是它可提高大型网络的信道复用率。

　　使用CSMA方式时，网络节点在开始传输数据包之前要监听通信信道并检测它是否空闲。如果信道已被占用，节点在等待一个随机的时间后再次检测。多数情况下(如IEEE 802.11)，无线节点甚至在等待的时候也处于监听模式。然而，无线设备即使在监听时的功耗也极大。因此，在网络节点处于等待或不进行数据广播时应该关断无线电路。监听周期和等待周期都是CSMA的主要设计参数。

　　CSMA适用于具有零星通信的网络，但是当信道中持续传输长数据包或数据流时它的性能便会大大降低。为了提高繁忙信道的接入率(尤其是对于关键数据包)，除了常规的CSMA外还应该建立一种“非竞争”机制。对于无竞争的信道接入，基于集中式引导信号(centralized beacon)的传输调度安排十分有效。基于引导信号的调度安排在星状拓扑结构的集中式系统中十分有效。然而，对于一般的分散拓扑结构的传感器网络的调度安排需要进行正确同步，这点很难实现。提高重要信息的信道接入能力的有效方法是给数据包分配优先级，而不是保证时隙。在传输高优先级数据包时，所有发送低优先级数据包的节点同时休息一段较长的时间，以降低发生碰撞的可能性。

　　如果高层协议按MAC目标设计可进一步提高信道的接入率。例如，某些传感器网络需要对传感器进行周期性的数据采样。如果应用层对采样间隔和采样顺序的相移进行动态调节，那么进行周期性传输的大量节点便可有效共享无线信道。

　　考虑到设备的硬件成本限制，传感器网络应用中难以采用CSMA/碰撞检测机制。不过可选择一种替代方案，CSMA碰撞回避(CA)是一种有效的碰撞控制方法。然而，CSMA-CA会给网络增加极大的额外通信量。如果没有直接的碰撞控制方法，数据链路层应采用错误控制方法以确保达到一定的传输成功率。事实证明，带有应答握手信号的循环冗余校验等通用错误检测技术在传感器网络中十分有效。将数据链路层应答(节点对节点)和网络层应答(端对端)灵活地结合起来便可实现满足性能要求的传输成功率，并达到期望的功耗水平。

　　网络层设计

　　网络层负责路由查找和数据包传送。自组传感器网络中大量节点是随机部署的，因此在网状网中查找多跳路由十分困难，当节点出现故障或重新部署后进行路由维护和修复(自愈)将同样困难。过去几年中出现了大量可支持自组多跳网络的分布式路由算法。总的来说，这些路由算法可分为两类：主动式(proactive)和被动式(reactive)。在主动式路由协议中，网络中的所有节点都常常保持着源地址与目的地址之间的路由列表，不管是否需要这些路由。

　　由于无需花时间查找路由，主动式路由能比被动式路由更快地传输数据包。不过，随着网络规模增加，这些路由列表也呈指数级增加，因此对于包含大量节点的典型传感器网络来说，要继续保持这些列表十分困难。而在被动式路由协议中，源节点只有在需要向某个目的节点传输数据时才开始查找路由。找到路由后该节点会将路由信息保持一定时间。路由列表规模相对较小，与网络规模大致相同。不过查找路由通常会有较长的延时，在要求实时性的应用中不可采用。

　　多数自组移动网采用的分布式路由算法都是基于网状网等平面网络结构而开发的，而无论是主动式路由还是被动式路由。由于自组网不分层，每个节点都充当其它节点的中继，其承担的责任相同。在这种采用全分布式路由算法的平面网络中，不进行传输的所有节点都必须主动监听信道，以实现中继。因此，网状网中的分布式路由算法产生较高的功耗。使用星型-网状混合结构可开发一种智能路由，实现高功效、降低延时并增强连接性。由于每个传感器的路由列表存储空间有限，被动式路由可为传感器网络应用提供更紧凑的解决方案。通过将信息传输到充当数据集中站的少量节点上，可有效解决被动式路由的延时问题。每个集中站负责收集邻近区域的通信信息。

　　将通信保持在局部邻近范围内十分重要，它可保证自组网的可伸缩性。据观察，每个节点的传输能力随着自组网规模增加而下降，这是因为网络规模增大后源节点与目的节点间的平均路径长度也成比例增加。为了避免大型网络中的节点传输能力逐渐降低，网络中所有通信都应当保持在局部区域内，即数据包的平均跳跃次数应该比网络的总中继数少。

　　应用类别

　　在各种工业、楼宇及家用电器中，下列应用是传感器数据采集及传播十分常用的模式：

　　1. 周期性采样。对于某个需要经常监控的条件或过程，例如空调环境中的温度或处理管道中的压力，每隔一定周期便进行大量的远程传感器采样，并周期地将采样数据传输到数据收集中心。采样周期主要根据条件或过程的变化速度以及采集对象的自身特点来决定。由于远程节点的占空比变化与采样速率成正比，协议堆栈的应用层应该在满足监测条件的情况下尽量采用最小采样率。很多情况下被监测的条件或过程会不时地减慢或加快，因此，如果应用层可根据条件或过程的变化自动调节采样率，则可尽量减少过采样，从而极大地提高网络系统的整体效率。

　　与周期性采样有关的另一个重要设计要点是多个节点间的相位关系。如果两个节点的采样率相近或相同，这两个节点的数据包传输便有可能不断碰撞。应用层必须检测这种反复碰撞，并在两个传输时序中加入相移，以避免再次碰撞。

　　2. 事件驱动。许多情况下要求监测一个或多个关键变量，同时只有在接近阀值时才进行传输。常见的例子包括火险报警、门窗传感器及间隙使用的仪器等。为了使事件驱动达到一定的功效和响应速度，必须将没有触发事件时的传感器节点功耗设计为最小，并且在快达到阀值时快速恢复工作。在设计协议堆栈中的所有层时都必须考虑这些要求。

　　3. 存储和转发。在很多应用中，传感器数据可在传输到基站前由远程节点采集、存储甚至处理，远程节点对传感器采样进行汇集和处理，而不是在每次采集完便立刻传输，这样有助于提高整个网络的性能、功耗和带宽效率。应用层协议应提供恰当的应用编程接口，以便有效地集成数据汇集和处理算法。

无线传感器开发系统的设计及实现

摘要：设计并实现了一种低功耗、通用性好的无线传感器节点，重点介绍了开发板的软、硬件设计，充分考虑了节能和扩展性的需求。系统支持多种目标文件格式。

关键词：传感器节点开发板FLASH SPI编程    微电子和无线通信技术的飞速发展，使得低功耗、低成本、体积微小的传感器网络的研制成为可能。这种网络的节点被放置在目标区域中，自组网络，采集数据，通过无线通信设备将数据经多跳传送到基站，由Intemet或其他有线网络传到用户终端。传感器网络的应用非常广泛，可用于环境检测、军事探测、医疗保健等各个部门。它的应用将对人们的生活方式产生深远的影响，该技术被美国《商业周刊》评为未来四大高技术产业之一。

    本文介绍了一种无线传感器开发系统的设计方法．包括节点和开发板。节点具有功耗低、通用性好的特点，带有多种传感器，可以感知温度、湿度和光等，并带有扩展口。开发板用于配置节点和下载程序。开发板具有友好的上位机用户界面，并支持多种编译系统生成的不同目标文件格式。

1 节点的硬件设计

    传感器节点的硬件结构主要由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。传感器节点一般采用电池供电，由于节点放置在危险或不易到达的区域，更换电池几乎是不可能，因此节能成为设计的关键技术，此外，还要控制成本和体积。设计的节点硬件框图如图1所示。

1．1 微处理器模块

    微处理器选用ATMEL公司的ATMELGAl28L。该芯片功耗低，且有多种睡眠模式；多个中断源，53个10口，可以连接多个传感器扩展口；内带8路10位A／D转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数据信号；双向I2C串行总线接口；主/从SPI串行接口；可编程串行通信接口；JTAG和SPI在线编程方式等。该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是六种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的应用。



1．2 射频模块

nRF24L01与微处理器相连只需6根信号线，其中4根是SPI信号线，与ATMELGAl28L的SPI口相连；其余一根为片选，另一根用于中断请求。

    射频电路要取得好的RF性能，PCB设计必须合理。nRF24L01的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则会对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用Q我较小的器件。制作PCB板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性能。



1．3 传患器模块和扩展口

    板上设有一光敏电阻感应光信号，由于是模拟信号，需接入ATMELGAl28L的AD引脚进行AD转换后才可处理。板上还装有一数字型温湿度传感芯片SHT15，可感知温度和湿度，精确度较高，且功耗低，采用I2C读写，占有IO口很少。

    为了让节点具有更广泛的应用，节点板上接有扩展口，其中有I2C口、AD口和中断口等，用来连接其他传感器。

1．4 电源横块和电能消耗

    节点有两种供电方式，在实验室调试和测试时通过开发板供电，在外界环境中工作时，用2个AA电池供电。为了防止2个电源之间的干扰，在板上加有一个手动开关。

    因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性。节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量。当通信采用节点定时关闭和打开的协议且关闭与打开的时间比为1：99时，使用2节1000毫安时(mAhr)的AA电池供电，节点耗能如表1所示。

    在上述工作模式下，如果用2节1000mA-hr的AA电池供电，则节点寿命为12．55个月。此值是在最大发送功率情况下计算的。当发送功率和收发速率变小时，耗能更少，传感器的寿命会更长。

2 开发板的硬件设计

    开发板的硬件系统框图如图3所示。

节点CPU的JTAG口接在开发板上。如果使用JTAG口下载和调试程序，则需要JTAG下载器。为此，设计了另一种下载方式，即串行下载。CPU通过USB口接收上位机的代码，然后通过SPI口下载到节点CPU的FLASH。CPU为中心控制模块，接收上位机的各种命令并进行相应处理。CPU芯片选用ATMEL公司的ATMELGAl6L，该芯片带有可编程UART口和工作于主机，从机模式的SPI口。

    USB转换芯片实现上位机端的USB数据与下位机端的UART数据之间的转换。选用芯片为FT232BM。由于编程板CPU、ATMELGAl28都要通过USB口与上位机通信，为了防止不同输入输出信号间的干扰，设计时用了两个带有使能控制的BUFFER来控制不同CPU串口通信的通断。

    为了更方便地配置传感器节点，在板上集成了一块E2PROM。目标代码可以先存储在EZPROM中。当需要向节点下载时，通过按钮激发外部中断即可将E2PROM的代码通过SPI口写入节点CPU。操作方便简单，摆脱了上位机的限制。

    节点连接器是17针的节点与开发板和扩展传感器之间的接口，除了编程口和串口，还有连接传感器的扩展口，包括I2C口、中断口和AD口等。

    节点CPU SPI编程共需4根信号线，其中3根SPI通信线与开发板CPU的SPI口相连，节点CPU的RESET信号由开发板CPU的IO口控制即可。

3 开发板软件设计

3．1 上位机程序设计

    用C++ Builder 6．0编写上位机程序，制作了用户操作界面，并将不同编译系统生成的多种目标文件格式转换成上、下位机约定的文件格式，传送给下位机。

    为提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM写代码的效率和便于从E2PROM向FLASH写代码，上位机传送给下位机的代码采用图4所示的格式。

    图4中，地址指该段代码要写入FLASH的初始地址，包括2字节的页地址和l字节的页内地址；序列号表示该段代码是全部代码中的第几段；长度指该段代码的字节数，不包括地址和序列号。每一地址段代码都采用表2的格式。

位机程序支持的目标文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一种文件标准，是最常用的目标文件格式之一。上位机程序还支持TI(德州仪器)公司提出的msp430-txt格式，该格式及说明如表2所示。

    上位机程序将不同编译系统生成的不同格式的目标文件转换成图4所示的格式，再发给下位机。上位机操作界面提供了各种命令按钮，用户点击命令按钮后，上位机即按制定的该命令模式处理协议发送命令和数据。在传送文件时，为确保数据传送不出差错，采用了停止-等待传输协议。上位机发送约定长度的数据后停止发送，等接收到下位机发来的确认标志后再开始发送。上位机总程序框图如图5所示。

3．2 下位机程序设计

    下位机接收上位机的命令，完成读写FLASH、E2PROM、镇定位、熔丝位和USB口使用权的切换等功能。由于实现的功能较多，采用了模块化、自下向上的结构化设计方法。首先按照ATMELCAl28L数据手册提供的SPI编程算法，用C语言实现了读写FLASH、锁定位和熔丝位等模块。

    程序设计的一个难点是将接收的上位机发送的文件写入FLASH或E2PROM，因为涉及到接收数据和写FLASH或EZPROM的交互。解决方法是采用停止一等待传输协议进行数据传送。下位机开辟约定数量的缓冲区，利用中断接收上位机数据至缓冲区满，处理完缓冲区数据后发送确认标志，上位机收到确认后再开始下一次发送。

    按制定的协议写ATMELGA128L的FIASH的流程图如图6所示。

    使用本文设计的开发板对节点下载程序，程序运行正常，节点间通信状态良好，且功耗低，实现了预计的功能并满足性能要求。

从设计过程和使用可以看出，本开发系统具有以下优点：

    (1)节点功耗低，体积小，射频芯片灵敏度高；

    (2)节点通用性好，可以连接多种传感板；

    (3)开发工具用户界面友好，支持多种目标文件格式；

    (4)代码可存储在E2PROM中，需要下载时按下按钮便写入FLASH，配置节点方便。

    本文所设计的传感器开发系统便于研究者做更深入的实践研究，推动了传感器更广泛的应用。

无线传感器网络 人与大自然亲密接触

无线传感器网络的兴起

　　二十世纪中期以来，计算技术、网络技术和传感技术的飞速发展为生产力的提高起到了巨大的推动作用，其中前两者的结合已经深刻地改变着人们的生产方式和生活习惯。而在二十世纪六十年代末，后两者的结合产生了传感器网络的概念，但由于当时的技术条件限制，缺乏可实用的集成传感器导致这一方向并未能充分开展起来。

　　尽管计算技术和网络技术的结合催生了许多新颖的应用模式和新颖的技术手段，但这二者的结合仍然基本属于传统的“人与人”或者“人与机”交互的范畴。直到二十世纪九十年代，随着通信技术、嵌入式计算技术，以及微电子技术的飞速发展，尤其是与莫尔定律相印证，各类电子产品的制造成本持续地降低到人们可以接受的时候，一种同时拥有感知、计算和通信能力，并且能够适用于各类不同环境的微型智能传感器才开始在世界范围内出现，而这些微小传感器节点的网络化将全面改变人们信息获取方式，这就是1993 年发端于美国的分布式传感器网络(DSN，Distributed Sensor Networks)。

　　分布式传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以随机部署在人迹罕至的恶劣环境中，通过大冗余的部署，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息并传送给感兴趣的观测者。在通信方式上，虽然分布式节点之间可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合这种网络使用，为明确起见，一般称这类网络为无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，无线传感器网络将是一种全新的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。

　　传感节点通用硬件结构

　　根据应用的不同，无线传感器网络的节点组成不尽相同，但其硬件构成一般由四部分组成：感知单元(sensing unit)、嵌入式处理器(processing unit)、通信模块(transceiver unit)和能量供给(power unit)四部分，其功能模块如图1所示：

　　图1 传感器节点硬件功能示意图

　　无线传感器网络最重要的功能便是感知、采集并传输网络覆盖环境中各种信息的变化，因此感知装置是节点的最基本组成部分，但根据应用的不同和成本的区别，节点中感知单元的功能和数量不尽相同，比如借助于微型传感器中内置的形式多样的感知单元测量所在环境中的热、红外、声纳、振动和地磁场信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、移动物体的大小、速度和方向等众多观测者感兴趣的物理现象。当传感器感知到环境的各类参数后，便经过ADC将连续的模拟信号转变成为嵌入式处理器可处理的数字信号，而处理器除负责协调节点各组成部分的工作之外，还因其计算功能，可以为承担相同任务的传感器之间进行协作数据处理。处理后的数据将由通信模块负责直接或间接地传送到传感器网络的信息接入点。区别于以往工业界的传感器组网技术，人们现在主要研究的传感器网络一般均指采用无线通信方式的分布式传感器网络，因为其往往部署在相对恶劣的环境中，节点本身往往需要具备一定的能源供给能力。另外，对于某些特殊的应用，某些节点还可能包含定位装置(Location Finding System)、自移动装置(Mobilizer)，甚至是能量产生装置(Power Generator)等。

　　无线传感器网络典型应用结构

　　无线传感器网络是由一组高密度，高度自治的传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，它与ad hoc移动自组网一样都采用无基站的移动通信方式，图2中给出了一个典型的无线传感器网络应用结构图。该网络由传感器节点、信息接收器(Sink，无线传感器网络网关、基站、接入点等都指同一概念)、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。

　　图2 无线传感器网络典型应用结构图

　　在无线传感器网络中，分布在整个网络区域数以千计的网络节点能够互相协作地自组织组网，并完成实时监测、感知和采集分布区域内的各种环境或监测对象信息的各项功能。同时，每个节点都可以通过传感器的移动通信单元以“多跳”路由方式发送自身获得的信息，也可对自身信息进行简单的处理以及转发来自其他节点的信息，从而使将目标对象的详尽而准确的信息通过Sink 的Internet 或通信卫星，传送到需要这些信息的用户。同样，用户也可以通过Sink 实现任务管理节点(即用户)与网络节点之间的通信，以同样的方式将命令等信息逐跳转发到各节点。

　　无线传感网络应用前景

　　无线传感器网络最大的优势在于通过一组大冗余低成本的简单传感器协同工作，可以实现对某一复杂环境或事件的精确信息感知能力。这种自组网能力使其与传统传感器系统相比，具有高可靠性、高抗毁性、随需而设、即设即用等特点，尤其适合无法部署固定线路的场合，比如恶劣的野外环境，或是战时以及救灾等突发事件等需要网络快速、灵活快速部署的场合，而且，由于无线传感器网络的冗余特性，即使在某个或者某些节点失效时，仍能保障整个传感系统具有很高的可靠性。

　　无线传感器网络凭借其技术特点在军事，环境科学，医疗，以及其他商业领域都拥有广泛的应用前景。在军事方面，由于传感器网络非常适合于恶劣的战场环境部署，因此可被充分用于战场环境侦察和监视系统的C4KISR 系统，作为遥感遥测等大尺度信息的补充，通过铺设传感器网络，以更隐蔽更快速的方式近距离地观察敌方的地形和布防情况，为火控和制导系统提供更为精确的目标定位信息，并且使指挥员及时准确地了解双方的武器装备和军用物资供给等情况，从而融合来自战场的各类数据形成军队完备的战区态势图。此外，通过传感器节点在重要街道的密集部署，甚至可以使得指挥员最快速地获得敌方狙击手的精确方位，为己方重要人物的安保防恐提供帮助。

　　此外，无线传感网络还可以完成在突发灾难性环境如核反应堆的监控，火警及地震等灾难事件区的监测等。在环境科学方面，无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如跟踪野生动物的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监控海洋、大气和土壤的成分，监控城市大气与水污染指标等等。类似地，无线传感器网络也可以应用到精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等;在医疗健康方面，医生可以借助安装在病人身上的传感器长时间收集病人的生理数据，随时了解病人的病情，进行及时处理。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用;在空间探索方面，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面长时间的监测。除此之外无线传感器网络还可以在智能家居、仓储物流管理，工厂自动化等等诸多商业领域发挥巨大作用。特别是在目前城市化的加快进程中，无线传感器网络也可以充分用于城市车辆的监控和跟踪中，为交通和环境问题的解决提供帮助。

　　由于无线传感器网络具有的这些特点和优点，人们为其想象出了多种应用，但目前限制无线传感器网络广泛应用的主要困难除了尚缺乏有效的通信协议以及相关支撑技术等，还在于传感器节点本身的价格难以普及。随着人们对传感器网络这一新技术的重点投入，以及大规模网络示范建设的开展，无线传感器网络节点的价格会逐步下降。根据CrossBow 公司的预测，预计到2008 年，无线传感器网络的节点的价格将降到目前的10%，而整体市场份额将接近30 亿美元。

　　无线传感器网络市场预测

　　作为有助于缩小人机隔阂的技术和产品，无线传感器网络可以实现人与自然界以及机与机之间无处不在的通信和计算能力，随着网络技术的进一步成熟和网络节点价格的持续下降，大规模部署无线传感器网络的条件有可能快速成熟，具有极强生命力的无线传感器网络的应用将不仅仅局限于军事领域，无线传感器网络与数字城市建设相结合是我国今后一个比较现实的热点领域，数字奥运、数字北京的建设为无线传感器网络的应用示范提供了广阔的舞台。奥运场馆作为奥运会比赛的关键区域，基于无线与有线传感器网络融合的方式不仅可以为奥运场馆进行更为丰富更为精细的综合监控，而且该模式还可后续广泛应用于环境、地震、卫生、智能家居等多个领域和行业。尤其是无线传感器网络与基于地理位置信息的服务紧密结合可以使传感器网络的应用进入到一个崭新的领域，与移动通信网络技术结合，可以为用户提供更加丰富、便捷、灵活的服务，这将导致产业价值链发生变化，形成巨大的经济效益和社会效益。