陆世龙赵泽
摘要：无线传感器网络的节点平台是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上实现并优化。
目前常用的节点硬件平台主要采用分立元器件系统集成技术或采用片上系统集成技术两种方式构成，在不同的应用需求下，针对不同的性能要求，产生了各种不同的设计方案。节点系统朝着体积越来越小，处理性能越来越强，功耗越来越小，成本越来越低的方向发展。本文将介绍传感器网络节点平台的体系结构及设计要素，主要对采用分立元器件和采用系统集成技术构成的两种节点系统进行比较，并对中科院计算所无线传感器网络实验室的研究进展情况进行介绍。
关键词：无线传感器网络；节点；体系结构
产能分析1无线传感器网络节点的体系结构
目前节点平台在硬件结构上基本相同，根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、存储器单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的
硬件体
系结构框架如图1所示。传感器单
元负责对所关心的物理量进行测量
并采集数据，提供给处理器单元进
行处理；处理器单元负责数据处理
及控制整个节点的正常工作；存储
单元负责对节点所采集或处理的数
据进行保存；射频单元负责与其他
节点进行无线通信，交换控制信息
和相关数据；供电单元负责为节点
提供运行所需的能量；扩展接口可
以实现节点平台的功能拓展，以适
应不同的应用需求。
图1.节点的硬件体系结构框架
汗译英
2节点设计技术要素
无线传感器网络是集成了监测、计算、通信及控制的网络系统，实际应用中具有节点数据庞大（上千甚至上万）、分布密集、应用环境恶劣、能量受限等特点，所以在节点的设计过程中，主要需要考虑以下几个因素：
节点的硬件成本要低廉。无线传感器网络的规模一般比较大，在目标环境系统中，所布置的节点数量常达数百个到数千个，甚至还要更多。在如此大规模布撒的情况下，单个节点的成本问题就显得尤为突出。因此，要求在能够满足系统需求的条件下，将节点的硬件成本降低到足够低。
节点要具有足够的数据处理及存储能力。无线传感器网络节点主要担负两项功能：一是进行环境数据的采集，二是进行数据传输。数据采集过程一般由处理器直接控制完成，但在
数据采集之后通常要对所采集的数据进行必要的处理以及存储等工作，要占用一部分处理器与存储器资源；传感器网络节点所担负的另外一项重要工作是路由功能，即将所接收到的数据包向下一级网络节点进行转发。路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器资源。因此，无线节点要具有足以支持同时完成数据采集与数据传输功能的数据处理和存储能力。
节点应具有低功耗设计。无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数工作在野外环境或者人员不易到达的地方，因而无线节点的电池不能够随时更换。这就要求节点能够在有限的电源供电的情况下，工作尽可能长的时间，以延长网络的寿命。除采用大容量的电池以及像太阳能这样可以自己供电的方案之外，节点本身要有低功耗设计，以达到延长节点寿命的目的。
根据不同应用场合的需要，无线传感器节点还要具有不同的传感器接口，能与不同的传感器相结合，进行灵活的配置。
3核心单元的典型设计
在无线传感器节点各单元中，核心单元为处理器单元以及射频单元。处理器单元决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度。而且不同处理器工作频率不同，在不同状态下消耗功率也不相同，因此不同处理器的选用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。射频单元的选择直接影响了无线通信使用的频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。
3.1节点中常用的处理器
埃舍尔矛盾空间
表1.无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较
根据具体应用的需求，目前节点平台中的处理器有以下几种选择：（1） ATMega128L[1]芯片是ATMEL公司生产的A VR系列处理器。该系列处理器为增强RISC2内载闪存（Flash）的芯片。（2）MSP430[2]系列单片机是德州仪器（TI）公司的一种混合信号控制器，其最显著的特点就是具有超低功耗特性。（3）若需要无线传感器网络节点实现复杂的数据处理功能以及复杂的路由协议等，就要采用功能更强大的处理器来满足数据计算量的要求。具有代表性的是英特尔（Intel）公司生产的imote2[3]节点采用的PXA270[3]处理器。该处理器最高主频达624MHz，具有极强的计算能力，足以应付包括视频在内的各种复杂数据处理需求。（4）
1 Random Access Memory，随机存储器数
2Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算
此外为了降低节点的成本，一些平台采用了通用的8051处理器，如AT89C52[4]。这类处理器具有货源充足、价格便宜、使用简单等特点，为价格敏感的应用提供了解决方案。表1是几种典型处理器的性能对比。
3.2节点中常用的射频通信单元
在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用ISM波段3的普通射频通信以及具有802.15.4
协议和蓝牙通信协议的射频通信。使用普通ISM频段的无线传感器网络节点主要采用的射频芯片包括Chipcon公司生产的CC1000[5]，Nordic公司生产的nrf903[6]，Semtech公司生产的XE1205[7]。还有部分无线传感器网络节点使用了带有802.15.4/ZigBee 协议的通信芯片，主要包括Chipcon公司的CC2420[8]芯片，RFWave公司的RFW102[9]芯片组。以上芯片的性能参数见表2，更加具体的技术指标可以在相应的数据手册中获得。
陈少霞三级
表2.无线传感器网络节点中采用的射频单元综合比较
3.3其他的处理器及射频单元
为了满足节点体积微型化的需要，人们相继推出了多款整合了处理器和射频单元的芯片，其中最具代表性的是Chipcon AS公司推出的CC2430[10]、CC2431[11]芯片，它们提供了简单方便的ZigBee/IEEE 802.15.4低功耗无线传感器网络解决方案，为节点平台的微型化提供了可能。
CC2430芯片在以往CC2420射频芯片的基础上整合了微处理器，存储单元以及ZigBee 射频(RF)前端。这样在使用极少外围器件的情况下就可以实现节点方案。处理器采用了8位的8051处理器，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还具有多种内部资源，如模拟数字转换器、定时器、看门狗等，使系统的设计开发更为方便。CC2430芯片采用0.18 µm CMOS工艺生产，工作时的电流为27 mA。在接收和发射模式下，电流分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的时间极短的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
CC2431是在CC2430以及摩托罗拉基于IEEE 802.15.4标准的无线电定位解决方案的基础上，集成在单一硅芯片上的系统解决方案，不仅具有CC2430的相关特点还具有硬件定位的功能。目前使用以上处理器的平台有SENSINODE公司的Nano[12]节点和中科院计算所的EZ243系列节点。
3Industrial Scientific Medical Band，此频段( 2.4~2.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学使用。
3.4片上系统节点平台
基于片上系统集成技术节点平台的典型代表有加州大学伯克利分校（U.C. Berkeley）的Smart Dust[13]以及PicoRadio[14]、CSEM公司的WiseNET[15]、中科院计算所的EZS210[16]节点等，它们均采用了基于现场可编程门阵列（FPGA4）的SOC（片上集成系统，System-on-Chip）技术，即在一个FPGA芯片上集成了处理器、自定义逻辑单元、甚至射频单元和传感器单元，用这样的芯片辅以较少的外设来实现传感器节点。与采用嵌入式系统架构设计的节点相比，基于SOC的传感器节点，在硬件修改方面具有更大的灵活性，同时可以在FPGA内嵌入专用的逻辑单元，来实现节点的功能。这比用软件来实现节点功能的方法更有针对性，能得到更高的效率，也为大幅度降低节点功耗提供了可能。
3.5无线传感器网络节点综合比较
目前的主要平台有CrossBow公司生产的Mica2[17]节点以及Micaz[18]节点，moteiv公司的Telos[19]节点，CSRIO实验室的CSRIO[20]节点，ShockFish公司的TinyNode 584[21]节点，耶鲁大学的XYZ[22]节点，Inter公司的imote2[3]节点以及中科院计算所的EZ210[16]系列和EZ243[16]系列节点。各平台的具体信息见表3。
4中科院计算所传感器网络实验室研究现状[16]
针对无线传感器网络在科研、工业、农业、教育等方面的应用，以及无线传感器网络应用系统中传感器多样化、应用环境复杂化等特点，实验室研究并开发了适用于多种环境特点的无线传感器网络EASI系列节点系统。该系列节点目前已经支持包括环境监测、煤矿安全、农业生产、智能交通、远程医疗等五大方向的系统应用。其中基于无线传感器网络的环境监测系统已经在故宫博物院展开应用，并得
到客户高度评价。其他四个方面的应用也已经完成基本原型的开发，并正在进行与相关企业及研究单位的合作，不久的将来将展开全面的产业化工作。
实验室研制的EASINet系列节点共分为三大系列：其中EZ系列为科研教育的无线传感4Field Programmable Gate Array2014年国际工程科技大会
器网络节点原型；EZP系列节点为用于产业化，可以大批量生产加工的节点；EZS系列为正在研究并具有前瞻性的SoC无线传感器网络节点。下面选取每个系列中几个典型实例进行介绍。
4.1符合国际ISM波段标准的EZ200系列通信节点
该系列节点用于信号采集、控制、数据处理、无线通信的通信节点，其工作频率位于ISM波段，包括433MHz、915MHz和2.4GHz，具有功耗低、通信距离远、可进行远程控制、多功能扩展接口可以满足不同应用的需求、采用嵌入式操作系统、体积小、效率高、稳定性强等特点，同时由于该系统的设计采用了模块化的方式，因此具有裁剪性好、修改方便、易于维护等特点。
图2.EZ210节点、EZ240节点、EZ243节点
MATLAB iradon如图2所示，其中EZ210节点是采用ATMega128L 和CC1000的433MHz的通信节点；EZ240是采用了MSP430系列单片机和CC2420的2.4GHz通信节点；EZ243节点是采用了CC2431芯片的2.4GHz通信节点。
4.2具有多种数据采集功能的EZ300系列传感器电路接口板
EZ300系列为集成多种功能的数据采集传感器电路板。该系列传感器电路板上可集成包括温度、湿度、光照度以及瓦斯浓度、磁场强度等传感器，满足多种环境参数采集的需求，
图3.EZ311传感器单元（左）和EZ321传感器单元（右）此外还有脉搏传感器、光电化学检测传感器、语音传感器等多种传感器板。该系列功能节点可以同时完成信号的预处理、微小信号检测与放大等，实现在同一块电路板上具有多种信号输入的功能；同时该系列传感器电路
板上也具有多功能接口，可以方便地与EZ200系列通信节点结合，组成具有完善功能的无线传感器网络节点。
如图3所示，其中EZ311是具有磁传感器的电路板，用于磁场强度的测量；EZ321是测量脉搏波动传感器电路板。
4.3实现传感网接入功能的EZ500系列网关设备
EZ500系列为实现传感网接入功能的网关设备。根据无线传感器网络系统拓扑结构、应用场合、实现功能的不同，该系列网关设备可以实现无线传感器网络多种灵活可靠的接入功能，将无线传感器网络数据传输至终端系统。该系列中，根据不同型号可以分别选择具有RS232接口、USB接口以及以太网接口等具有多种通信方式以及接口的网关设备，根据不
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