WSN节点的设计说明.docx
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WSN节点的设计说明
1WSN节点的设计
1.1WSN节点的功能
传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：
一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。
1.2WSN节点的组成结构
（1）传感单元：
由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。
负责监测区域信息的采集和数据的预处理。
（2）处理单元：
由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、输入输出接口及嵌入式操作系统等。
负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。
（3）通信单元：
由无线通信模块组成。
负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。
（4）能量供应单元：
负责为传感器节点提供运行所需的能量。
1.3设计原则
1、低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长）。
设计中从硬件和软件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。
软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。
2、良好的射频性能：
同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距离也较大。
3、节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。
4、低成本：
节点模块不能太多且不能太复杂。
5、可扩展性：
采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模块，比如传感器模块可以做一个通用口。
1.4现有无线传感器节点
表1无线传感器节点的参数比较
节点
处理器
射频芯片
工作频率（mcu）
MHz
Flash
KB
RAM
KB
工作频段（MHZ）
传输速率（kbps）
调制方式
公司
Mica
Atmega128L
TR1000
7.3728
128
4
916
115
OOK/ASK
①
Mica2
Atmega128L
CC1000
7.3728
128
4
300-1000
76.8
FSK
①
Mica2dot
Atmega128L
CC1000
7.3728
128
4
300-1000
76.8
FSK
①
Mica3
Atmega128L
CC1020
7.3728
128
4
402-904
153.6
GFSK
①
Micaz
Atmega128L
CC2420
7.3728
128
4
2400
250
O-QPSK
①
Meshbean
Atmega128L
CC2420
7.3728
128
4
2400
250
O-QPSK
②
Tmotesky
MSP430F1611
CC2420
8
60
2
2400
250
O-QPSK
③
Toles
MSP430F149
CC2420
8
48
10
2400
250
O-QPSK
③
Gainst-CC2430
CC2430（嵌51核）
32
32-128
8
2400
250
DSSS
④
注释：
1Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点
2MeshNetic公司
3Moteiv公司
4中科院所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点同。
其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。
目前许多研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬件平台。
2008年5月5日中科院所又推出Gainst-CC2430节点。
下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、Gainst-CC2430节点做进一步比较：
1.4.1现有无线传感器节点方案对比
1、Atmega128L+CC2420（成本：
45+39=84元）
ATmega128L是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，工作速度可达8MIPS，工作电压是2．7V到5．5V。
哈佛结构使程序和数据分开存储访问，程序执行效率更高，置128K字节的Flash程序存储器，4K字节EEPROM，4K字节的部SRAM。
此外，ATmegal28L还有53个通用I／O、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器／计数器、2个USART、1个面向字节的两线接口wTI、8通道10位ADC、具有片振荡器的可编程看门狗定时器、1个SPI同步串行端口、与IEEE1149.1规兼容的JTAG测试接口，以及六种可以通过软件选择的省电模式。
ATmega128L的最低工作电压是2．7V，掉电模式的电流消耗小于15uA，采用ATmega128L的Mica2节点的待机电流消耗约16uA。
2、MSP430F149+CC2420（成本：
40.5+39=79.5元）
是一片集成度高、功能丰富、功耗极低的16位单片机，工作电压1．8V到3．6V，具有个一个硬件乘法器，60K字节Flash，2K字节RAM，基础时钟模块包括1个数控振荡器（DCO）和2个晶体振荡器；看门狗定时器可用作通用定时器；带有3个捕捉／比较寄存器的16位定时器；带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器；2个具有中断功能的8位并行端口；4个8位并行端口；模拟比较器；12位A／D转换器；2通道串行通信接口。
MSP430系列单片机最低工作电压为1．8V，实时时钟待机电流的消耗仅为1.1uA，运行模式电流300uA（1MHz），从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。
1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1uA～400uA之间，RAM在节电模式耗电为0.1uA，等待模式下仅为0.7uA。
3、CC2430嵌80C51核（成本：
65元）
CC2430完全满足IEEE802.15.4和ZigBee的应用,CC2430特别适合于低功耗系统的应用。
◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
◆强大的DMA功能。
◆32/64/128KB的片上可编程flash。
◆8KB的SRAM，在四种电源模式下有4KB的存储单元有数据保持能力。
◆很少的外设相连
◆低能耗（RX:
27mATX :
25mA微控制器工作在32MHz条件下）
◆在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。
◆硬件支持CSMA/CA功能。
◆较宽的电压围（2.0～3.6V）。
◆数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
◆具有电池监测和温度感测功能。
◆一个通用的16位定时器，两个8位的定时器。
◆支持硬件调试
◆集成了14位模数转换的ADC。
◆集成AES安全协处理器。
◆带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。
◆强大和灵活的开发工具。
1和2两种方案比较的话：
明显看出2方案在功耗方面有明显的优势：
Atmega128L的最低供电电压是2.7V,掉电模式的电流消耗小于15uA，采用ATmega128L的Mica2节点的待机电流消耗约16uA。
相比较而言MSP430的最低工作电压是1.8V，实时时钟待机电流的消耗仅为1.1uA，运行模式电流300uA（1MHz），从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。
1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1uA～400uA之间，RAM在节电模式耗电为0.1uA，等待模式下仅为0.7uA。
2和3两种方案比较的话：
图1MSP2430+CC2420节点
图2CC2430（CC2431）节点
成本方面：
CC243065元/片，实现MSP430F149+CC2430节点要79.5元。
外围电路的考虑：
CC2430所需的外围电路少。
MSP430+CC2420在电源供电的时候考虑到数字供电对模拟部分（高频）的干扰，在一个板子上实现这样很难避免干扰。
在外围晶振电路的考虑上，图1中需要3个晶振电路，而图2中只需要2个晶振电路。
电源管理模块若采用图2方案，由于不需要对MCU和射频芯片分开来供电，这样就比较简单了。
功耗方面：
为了节省功耗CC2430有四种电压管理模式（PW0-PW3）耗能逐渐减少。
外部中断使节点从休眠模式到正常工作模式所消耗的电流不到0.6uA。
CC2430采用SOC技术把MCU和射频单元做到一块芯片工作的能耗（RX:
27mATX :
25mA）。
而MSPF149+CC2420，CC2420（RX:
19.7mATX :
17.4mA）,再加上MSP430的功耗（到目前为止查阅了大量资料，还没有那篇论文上/手册上有明确提出方案2，在不同的工作模式下的能耗是怎样的？
只有谈到MSP430这块芯片的具体耗能），总体上感觉采用SOC技术的产品能耗更具有优势。
从无线传感器技术的发展来看，MCU和射频单元能够做到一块片子上，是以后发展的一个趋势，这样可以把节点做的更小。
Intel和Chipcon都在做这方面的工作。
（CC2430芯片为Chipcon公司产品）。
综上所述我们开发节点选用方案3比较合适。
2硬件平台设计
2.1CC2430芯片主要技术指标
CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。
它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。
其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外2.4GHz频率的其他设备。
2.2CC2430芯片的主要特点
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、存和微控制器。
它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（Brown out detection），以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。
CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
CC2430芯片的主要特点如下：
◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
◆在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。
◆硬件支持CSMA/CA功能。
◆较宽的电压围（2.0～3.6V）。
◆数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
◆具有电池监测和温度感测功能。
◆集成了14位模数转换的ADC。
◆集成AES安全协处
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