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一种低功耗无线传感器网络节点的设计

2009-06-19
作者:冯勇平,张 頔,罗 嵘

摘 要:设计了一种低功耗无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点" 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关键词:无线传感器网络;传感器节点;TinyOS

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在监测区域内大量的具有信息采集、数据处理和无线通信能力的微小传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息,并发送给观测者[1]
  无线传感器网络可被广泛应用于军事、环境保护、医疗护理、智能家居、智能交通、智能建筑、工业控制和监视[2]、空间探测[3]等领域。
  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[4]包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。有些节点具有高性能,但功耗较大,如Imote2节点,不适用于能量受限的应用环境。其他一些节点,如Telos、Mica等,由于设计时间较早,其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电,工作环境通常比较恶劣,而且数量大、更换非常困难,所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一[5]。本文节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能,实现了配备无线收发模块、微控制器模块、电源模块和I/O扩展接口的无线传感器网络节点。相比现有节点,该节点功耗更低、性能更优。TinyOS是适用在无线传感器网络应用的嵌入式实时操作系统,然而其无法很好地在新的硬件平台提供对TinyOS的支持,这成为限制其应用的主要瓶颈之一。本文改进了TinyOS的工具链环境,使得操作系统移植和软件开发工作可以摆脱GCC的限制,进而使得TinyOS可以应用于更广泛的硬件环境。本文基于改进的工具链环境,将TinyOS 2.1.0版本移植到新的节点上,并且为节点所使用的CC2520无线收发芯片编写了驱动程序(在TinyOS语言中,称之为射频协议栈Radio Stack)。
1 硬件设计
  无线传感器网络节点是网络的基本单元,节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用中,传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点,有的只考虑低功耗而性能不高,有的性能高但是功耗太大。本文所设计的节点配备了基本的无线收发模块、微控制器模块、电源模块和I/O扩展接口。该节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方面,较之现在主流节点(如telosB、micaz等),本文设计的节点采用了功耗更低的处理器芯片和性能更好的射频收发器芯片。
  处理器和无线收发模块是节点的两个关键模块,本文所设计的节点选择了超低功耗处理器MSP430F2618和工作在ISM自由频段的射频芯片CC2520。处理器模块是数据处理、进程调度的核心单元,一般由MCU和扩展的存储器组成。根据WSN的低功耗要求,MCU芯片的选择标准包括:工作模式、工作电流、工作电压、唤醒时间等。无线通信模块是WSN 组网以及WSN与信息世界相连接的重要模块,一般由无线收发芯片和相应频率的天线组成。由于WSN 的无线通信倾向于无线电通信,所以选用工作在ISM 自由频段的射频芯片。本文设计的节点电路示意图如图1所示。


  微处理器和CC2520之间通过SPI、GPIO、VREG-EN和RESETn信号进行连接。SPI提供一个接口,通过该接口实现微处理器和CC2520之间的数据传递。CC2520有6个GPIO可以根据需要和微处理器进行连接。CC2520的工作模式有激活模式和两种低功耗运行模式。微处理器通过VREG-EN信号控制CC2520工作于低功耗模式。微处理器通过RESETn信号使CC2520在上电时复位。微处理器和3个不同颜色的LED连接,通过灯的闪烁和颜色变化显示节点的工作状态。微处理器通过SPI接口和控制信号外接EEPROM,用来存储日志数据或相关数据。
2 工具链设计
  TinyOS是一个广泛应用于无线传感器网络节点中的操作系统。TinyOS的官方源代码树是围绕GCC构建的。TinyOS及TinyOS应用程序用nesC语言写成。nesC预编译器将nesC代码转换成目标平台上GCC风格的C代码。GCC编译器工具链(如MSPGCC)再将这些C代码编译成对应平台二进制映像。整个流程如图2所示。编译系统用输入的源代码生成用以下载到平台中的可执行文件或hex文件。


  GCC并不支持所有的处理器,如8051系列处理器。由于GCC及其衍生编译器(如MSPGCC)由开源组织维护,往往在更新速度上无法跟上处理器的发展。时至今日,MSPGCC仍然不支持MSP430F26xx系列的处理器。由于GCC的语法风格和ANSI C不完全一致,nesC预编译器输出的C程序文件无法直接被大多数的编译器直接使用,从而限制了TinyOS在不同平台尤其是基于新处理器型号的平台上的应用。本论文所设计的节点使用的处理器MSP430F2618就是GCC不支持的。因此,将TinyOS移植到GCC不支持的平台上需要一些新的方法。本文所用方法的具体流程如图3所示。


  在图3中,用IAR工具链代替GCC工具链来生成目标平台上的二进制映像,这是MSP430处理器的官方推荐编译器,支持所有MSP430系列处理器。为了保留TinyOS并且为将来GCC支持本平台使用的处理器时移植方便,对工具链的扩展集中在nesC预编译器之后和IAR编译-链接器之前。这里的解决方案是加入一级预编译程序,将GCC风格的C程序转换成IAR风格的C程序。因为在这个过程中,涉及到大量的文本处理,所以预编译程序用perl脚本语言写成。TinyOS使用GNU Make进行应用程序的管理。由于IAR工具链也提供完善的命令行调用接口,通过Linux平台上的Windows模拟器wine,可以很容易地将IAR工具链集成到TinyOS的GNU Make体系中。
3 射频协议栈设计
  TinyOS并没有统一的设备驱动模型,这是源自其实用主义的设计思想和性能驱动的应用环境。TinyOS为不同类型的设备提供不同的设备驱动模型。在TinyOS 2.x版本中,射频收发器的设备驱动模型称为射频协议栈。在telos系列节点(包括telosa、telosb、moteiv等)上使用的CC2420射频收发器驱动的顶层模块由CC2420ActiveMessage C组件实现。TinyOS在此之上封装了与平台无关的AMSender C和AMReceiver C两个泛型组件供上层应用程序使用。为了保证与TinyOS的上层组件兼容,本文所设计的CC2520射频芯片的协议栈和TinyOS固有的射频协议栈保持一致,向上提供相同的接口。
  本文设计的射频协议栈有6层模块,如图4所示。最底层是MSP430的引脚信号抽象,包括中断、GPIO和SPI总线。这些最基本的抽象在射频协议栈中根据CC2520的控制逻辑被进一步抽象为CC2520的专用抽象组件。当CC2520接收到数据帧时,会通过中断的方式通知处理器,处理器通过响应中断完成接收动作。SPI总线对CC2520的FIFO进行读写并且发送控制字。GPIO对CC2520进行复位和关闭。


  在基本的数据传输组件之上,根据CC2520独有的控制时序进行了数据帧发送接收和芯片参数控制的抽象。在这一层抽象中,不涉及空闲信道检测和MAC层协议,只实现CC2520的控制逻辑。在此之上,用下层提供的接口实现了TinyOS的标准射频协议栈中冲突检测避退的MAC算法。至此已经是一个完整的单跳的射频收发器抽象了。但是在TinyOS中,有许多任务都要用到这个资源。与底层的I/O使用仲裁器机制不同的是,这一层的资源共享机制通过虚拟化手段实现。使用泛型组件AMSender C和AMReceiver C将本文实现的射频芯片抽象封装成虚拟化资源。不同的客户程序在进行收发时只需使用这些虚拟化资源即可完成收发动作。本文中论述的射频协议栈在这一层完全兼容了TinyOS现有的射频协议栈抽象接口。
  节点测试的软硬件环境如图5所示。TelosB节点用来测试本文设计的节点及射频协议栈。待测节点和TelosB节点分别下载测试相关程序。节点通过USB集线器连接到PC上。用JAVA程序接收并解析节点通过USB端口传来的数据,并且存储在MySQL数据库中。对比程序读取数据库中的数据,并且对对比结果进行比较。经过测试证明,本文设计的节点和射频协议栈能够正确地完成通信的功能。


4 性能比较
  本文所设计的节点和其他典型的节点性能比较如表1所示。


  因为无线传感器网络节点一般采取电池供电,工作环境通常比较恶劣,而且数量大、更换非常困难,所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。低功耗首先要看电流消耗。比较了三种工作模式下的电流消耗:睡眠模式、处理器激活而无线收发器关闭模式和无线收发模式。睡眠模式下,Imote2节点功耗最高达到1.3 mW,而本文设计的节点只有5 μW。在处理器活动而无线收发器关闭模式下,Imote2节点的功耗最高达到102.3 mW,而本文设计的节点电流消耗最低,只有1.2 mW。在RX模式下,Imote2节点的功耗也是最高的,达到了145.2 mW。本文设计的节点功耗最低,是62.4 mW。在TX模式下,本文设计的节点最大输出功率可达到5 dBm,室外无障碍传输距离可达到400 m。因此从功耗和各方面性能比较,本文所设计的节点优于其他节点。
  本文设计了一种新的无线传感器网络节点,该节点配备了基本的无线收发模块、微控制器模块和电源模块。该节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方面,与工作在ISM自由频段2.4 GHz的一些典型节点进行了比较。本文为新节点引进的射频芯片CC2520开发了驱动。通过改进Tiny OS的工具链环境,将Tiny OS操作系统移植到了GCC编译器不支持的新节点上。Tiny OS在新节点的移植成功,拓宽了Tiny OS操作系统在不同硬件平台上的应用。


参考文献
[1] AKYILDIZ I F,SU W,SANKARASUBRAMANIAM Y,et al.A survey on sensor networks[J].IEEE Communication
Magazine,2002,40(8):102-114.
[2] COLERI S,CHEUNG S Y,VARAIYA P.Sensor networks for monitoring traffic.In Proceeding of FortySecond Annual Allerton Conference on Communication, Control and Computing,U.of Illinois,2004.
[3] Sensor Webs.http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/,2008.
[4] 姜连祥,汪小燕.无线传感器网络硬件设计综述.单片机与嵌入式系统应用,2006(11):13-15.
[5] 王漫.以传感器为视点的无线传感器网络节点设计趋势综述.计算机应用与软件,2007,24(10)
[6] Wireless sensor networks product reference guide.http://www.xbow.com/.2007.

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