WSN节点的设计说明.docx

1、WSN节点的设计说明1 WSN 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

2、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

3、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 （mc u）Flas hKBRAMKB工作频段 （MHZ）传输 速率 （kbps）调制方式公司MH zAtmega1TR17.37OOK/Mica28L000281284916115ASKAtmega1CC17.37300-1Mica228L00028128400076.8FSKAtmega1CC17.37300-1Mica2dot28L00028128400076.8FSKAtmega1CC17.37402-9Mica328L02028128404153.6GFSKAtmega1CC27.37O-QPMicaz28L42028

4、12842400250SKMeshbeaAtmega1CC27.3712842400250O-QPn28L42028SKTmoteMSP430CC286022400250O-QPskyF1611420SKMSP430CC2O-QPTolesF149420848102400250SKGainst-CCC2430（嵌 5132-3282400250DSSSC2430核）128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

5、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AVR RISC结

6、构的8位低功耗 CMOS微处理器， 工作速度可达 8MIPS，工作电压是 27 V到55 V。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，4 K字节EEPROM，4 K字节的部 SRAM。此外， ATmegal28L 还有 53个通用IO 、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IEEE 1149.1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。

7、ATmega128L的最低工作电压是 27 V，掉电模式的电流消 耗小于15 uA，采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消耗约 16 uA。2、 MSP430F149+CC24(20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 18 V到36 V，具有个一个硬件乘法器， 60 K字节Flash， 2 K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

8、并行端口； 4个8位并行端口；模拟比较器； 1 2位AD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 18 V，实时时钟待机电流的消耗 仅为1.1 u A，运行模式电流 300 uA(1 MHz) ，从休眠至正常工作整个唤醒 过程仅需 6 us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在 0.1 uA400 uA之 间，RA M 在节电模式耗电为 0.1 uA ，等待模式下仅为 0.7 uA。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

9、功耗的 8051 微控制器核 集成符合 IEEE802.15.4 标准的 2.4 GHz 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:27mA TX :25 mA 微控制器工作在 32MHz 条件下） 在休眠模式时仅 0.9 A 的流耗，外部的中断或 RTC 能唤醒系统 ; 在待机模式时少于 0.6 A 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

10、3.6 V）。 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 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 15 uA，采 用 ATmega128L 的M

11、ica2节点的待机电流消耗约 16 uA。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 1.1 u A， 运行模式电流 300 uA(1 MHz) ，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需 6 us。1MHz的时钟条件下运行， 耗电电流在 0.1 uA400 uA之间，RA M 在 节电模式耗电为 0.1 uA ，等待模式下仅为 0.7 uA。2和3两种方案比较的话：成本方面：CC2430 65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

12、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 0.6 uA 。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:27mA TX :25 mA ）。而 MSPF149+CC2420，CC2420（RX:19.7mA TX :1

13、7.4 mA）,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

14、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2.4 GHz 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128 KB 可编程闪存和 8 KB 的RAM ，还包含

15、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)、32 kHz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0.18 m CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗 为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 27 mA 或25 mA。 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

16、能和低功耗的 8051 微控制器核。 集成符合 IEEE802.15.4 标准的 2.4 GHz 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 0.9 A 的流耗，外部的中断或 RTC 能唤醒系统 ; 在待机模式时少于 0.6 A 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 3.6 V)。 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 安全协处理器。 带有 2 个强大的支持几组协议的 USART，以及 1 个符合 IE

17、EE802.15.4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。2.3CC2430 芯片的引脚功能CC2430 芯片采用 7 mm7mm QLP 封装 ,共有 48 个引脚。全部引 脚可分为 I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。2.3.1 I/O 端口线引脚功能CC2430 有 21 个可编程的 I/O 口引脚，P0、P1 口是完全的 8 位口， P2 口只有 5 个可使用的位。通过软件设定一组 SFR 寄存器的位和字节， 可使这些引脚作为通常的 I/O 口或作为连接 ADC 、计时器或 USART部件 的外围设备 I/O 口使用

18、。I/O 口有下面的关键特性：图 3 CC2430芯片 可设置为通常的 I/O 口，也可设置为外围 I/O 口使用。 在输入时有上拉和下拉能力。 全部21 个数字 I/O 口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外 部设备，可对 I/O 口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤 醒休眠模式。16 脚（ P1_2 P1_7）： 具有4 mA 输出驱动能力。8，9 脚（ P1_0， P1_1）： 具有20 mA 的驱动能力。1118 脚（ P0_0 P0_7）： 具有4 mA 输出驱动能力。43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4 mA 输

19、出驱动能力。2.3.2 电源线引脚功能 7 脚( DVDD )： 为I/O 提供2.03.6 V 工作电压。20脚(AVDD_SOC)： 为模拟电路连接 2.03.6 V 的电压。23脚( AVDD_RREG )： 为模拟电路连接 2.03.6 V 的电压。24脚( RREG_OUT)： 为25，2731，3540 引脚端口提供 1.8 V 的 稳定电压。25脚 (AVDD_IF1 ) ： 为接收器波段滤波器、模拟测试模块和 VGA 的 第一部分电路提供 1.8 V 电压。27脚(AVDD_CHP )： 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供 1.8 V 电压。28脚(VCO_GUARD )：

20、 VCO 屏蔽电路的报警连接端口。29脚(AVDD_VCO ): 为VCO 和PLL 环滤波器最后部分电路提供 1.8 V 电压。30脚(AVDD_PRE): 为预定标器、Div 2 和LO 缓冲器提供 1.8 V 的 电压。31脚(AVDD_RF1 ): 为LNA 、前置偏置电路和 PA 提供1.8 V 的电压。33 脚( TXRX_SWITCH ): 为PA 提供调整电压。35脚( AVDD_SW ): 为LNA/PA 交换电路提供 1.8 V 电压。36脚( AVDD_RF2 ) : 为接收和发射混频器提供 1.8 V 电压37脚（AVDD_IF2 ）: 为低通滤波器和 VGA 的最后部

21、分电路提供 1.8 V 电压。38脚（ AVDD_ADC ）: 为ADC 和DAC 的模拟电路部分提供 1.8 V 电 压。39脚（ DVDD_ADC ）: 为ADC 的数字电路部分提供 1.8 V 电压。40脚（ AVDD_DGUARD ）: 为隔离数字噪声电路连接电压。41脚（ AVDD_DREG ）: 向电压调节器核心提供 2.03.6 V 电压。42脚（DCOUPL）: 提供1.8 V 的去耦电压，此电压不为外电路所使用。47 脚（ DVDD ） : 为I/O 端口提供 2.03.6 V 的电压。2.3.3控制线引脚功能10 脚（ RESET_N）: 复位引脚，低电平有效。19 脚（

22、XOSC_Q2） : 32 MHz 的晶振引脚 2。21脚（XOSC_Q1）: 32 MHz 的晶振引脚 1，或外部时钟输入引脚。22脚（ RBIAS1）: 为参考电流提供精确的偏置电阻。26脚（ RBIAS2 ）: 提供精确电阻， 43 k， 1%。32脚（RF_P）: 在RX 期间向 LNA 输入正向射频信号；在 TX 期间接 收来自 PA 的输入正向射频信号。34 脚（RF_N）: 在RX 期间向 LNA 输入负向射频信号；在 TX 期间接 收来自 PA 的输入负向射频信号。43脚 （P2_4/XOSC_Q2）: 32.768 kHz XOSC 的 2.3 端口。44脚 （P2_4/XO

23、SC_Q1）: 32.768 kHz XOSC 的 2.4 端口。2.4电路典型应用2.4.1硬件应用电路CC2430 芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。 图4 为 CC2430 芯片的部结构和外围电路。 电路使用一个非平衡天线 , 连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容 C341 和电感 L341、L321、L331 以及一个 PCB 微波传输线组成，整个 结构满足 RF 输入 /输出匹配电阻 （50 ）的要求。部 T/R 交换电路完成 LNA 和PA 之间的交换。 R221 和 R261 为偏置电阻，电阻 R221主要用 来为32 MHz 的晶振提供一

24、个合适的工作电流。用 1 个32 MHz 的石英 谐振器（ XTAL1 ）和2 个电容（ C191 和C211）构成一个 32 MHz 的晶 振电路。 用1 个32.768 kHz 的石英谐振器 （XTAL2 ）和2 个电容（C441 和C431）构成一个 32.768 kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求 1.8 V 电压的引脚和部电源供电， C241 和C421 电容是去耦合电容 ,用来电源 滤波,以提高芯片工作的稳定性。图 4 CC2430 的典型应用电路表 2 CC2430 典型应用外围部件一览表CC2430 包括 3 个不同产品： CC2430-F32、CC2430-F64 和C

25、C2430-F128，均可用作 ZigBee 协调器、路由器和终端设备。三者的区 别在于置闪存的容量不同 （32KB 、64KB 和128KB） ，以及针对不同的 IEEE802.14.5/ZigBee 应用分别进行了成本优化。目前，国外嵌入式射频芯片中， CC2430 芯片是性能最好、 功能更强 的一个。它结合了市场领先的 Z-StackTM ZigBeeTM 协议软件和其它Chipcon 公司的软件工具，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无 线网络产品提供了便利。相信在未来几年，它的应用将会涉及到社会的 更多领域。2.5传感器单元2.5.1温度传感器： Maxim 公司的 DS18B20

26、。价格10 元。DSl820 数字温度计提供 9 位（二进制 ）温度读数，指示器件的温度。 信息经过单线接口送入 DSl820 或从 DSl820 送出，因此从主机 CPU 到 DSl820 仅需一条线 （和地线）。DSl820 的电源可以由数据线本身提供而不 需要外部电源。因为每一个 DSl820 在出厂时已经给定了唯一的序号， 因此任意多个 DSl820 可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不 同的地方放置温度敏感器件。 DSl820 的测量围从 -55C 到+125C，增量 值为 0.5 C，可在 ls（典型值 ）把温度变换成数字。每一个 DSl820 包括一个唯一的 64 位长的序

27、号，该序号值存放在 DSl820 部的 ROM只（ 读存贮器 ）中。开始 8 位是产品类型编码 （DSl820 编 码均为 10H）。接着的 48 位是每个器件唯一的序号。最后 8位是前面 56 位的 CRC（循环冗余校验 ）码。DSl820 中还有用于贮存测得的温度值的两 个 8位存贮器 RAM，编号为 0号和 1号。1号存贮器存放温度值的符号， 如果温度为负 C，则 1 号存贮器 8 位全为 1，否则全为 0。0 号存贮器用 于存放温度值的补码， LSB（最低位 ）的 1 表示 0.5 C。将存贮器中的二进 制数求补再转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值。DS18B20的主要特性：1

28、、 电压围： 3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电2、 独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条 口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。3、 DS18B20 支持多点组网功能， 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三 线上，实现组网多点测温4、 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电 路集成在形如一只三极管的集成电路。5、 温围 55 125，在 -10+85时精度为 0.56、 可编程的分辨率为 9 12 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、 0.125和 0.0625，可实现高精度测温7、 在 9 位分

29、辨率时最多在 93.75ms把温度转换为数字， 12 位分辨率 时最多在 750ms 把温度值转换为数字，速度更快。8、 测量结果直接输出数字温度信号， 以一线总线 串行传送给 CPU， 同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力9、 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。产品图片：2.5.2瓦斯传感器 : 吉华科技 KGS-20 价格： 20 元瓦斯传感器采用吉华科技生产的 KGS-20 低功耗瓦斯传感器，如 下图所示。 KGS-20 以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓 度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。KGS-20 型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用 于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。特性参数l、回路电压：（Vc）15V 2、取样电阻：（RL）0.5-20K3、加热电压：（VH ）0.9 0.05V4、加热功率：（P）约 150mW5、灵敏度： R0（air）RS（5000ppmCH4）56、响应时间： Tres10秒7、恢复时间： Trec30秒产品图片：2.5.3加速度传感器： ADI 公司 ADXL202 价格： 210元ADXL202 是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传