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第四章 基于无线传感器网络的智能物流关键技术

第一节 无线传感器网络的硬件设计

  无线传感器网络的硬件是整个无线传感器网络体系的主要组成部分和支撑基础。无线传感器网络的节点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得以实现并加以优化才具有实际意义。本节主要介绍无线传感网络硬件的基本架构以及在此基础上的节点的基本结构和设计实现。
  2.2.1  无线传感器网络硬件设计概述
  1.无线传感器网络硬件系统的主要组成
  无线传感器网络的体系结构通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在感知区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络,传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输,在传输过程中所采集的数据可能被多个节点处理,经过多跳路由后到汇聚节点,再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心的管理节点进行集中处理。
  传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,是构成无线传感器网络的基础层支持平台。从网络功能上看,每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时与其他节点协作完成一些特定任务。
  汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,它连接传感器网络与Internet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布处理节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络。
  2.节点的设计需求
  作为无线传感器网络的重要组成部分,传感器节点是为传感器网络特别设计的。可以说,传感器网络是在特定应用背景下,以一定的网络模型规划的一组传感器节点集合。因此传感器网络在不同应用要求下需配套不同的软、硬件系统。但是在设计传感器节点时,不管基于哪一类型的特定应用,必须从以下几个方面考虑:
  1)低成本。这是传感器节点的基本要求。无线传感器网络的规模一般比较大,在目标环境系统中,所布置的节点数量基本上在数百个到数千个以上,在如此大规模的布撒情况下,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。
  2)低功耗。传感器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宜到达的地方,因而无线节点的电池不能够被随时更换,这就要求节点能够在有限的电源供电的情况下工作的时间尽可能长以延长网络的寿命,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,节电本身就要具有低功耗设计技术,从而达到延长节点寿命的目的。
  3)微型化。传感器节点应在体积上足够小,在某些特殊应用中甚至要求要小到人眼无法察觉。同时,在软件方面要求所有软件模块尽量精简。而这些限制是由有限硬件资源决定的。
  4)足够的数据处理及存储能力。传感器节点主要担负环境数据的采集和进行数据传输的任务。数据采集之后,传感器节点通常要对所采集的数据进行必要的处理以及存储等工作,同时还要将所采集的数据组成能够满足网络要求的数据包格式,路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器资源。因此,传感器节点要具有足够的数据处理和存储能力,能够同时完成数据采集与数据传输的功能。
  5)灵活可扩展。根据不同应用场合的需要,传感器节点要具有不同的传感器接口和模块,进行灵活的配置。传感器节点需定义统一、完整的外部接口,在需要添加新硬件部件时可在现有节点上直接添加。同时,软件不需要额外设备即可升级,体现了它的可扩展性。对于软、硬件整体而言,节点可按功能拆成多个组件,组件之间通过标准接口自由组合。软件模块同样做到组件化和可配置,形成一个相对独立的模块接口。
  6)稳定和安全。硬件的稳定性要求节点的各个部件能在给定的外部环境变化范围内正常工作。另外,节点硬件能在特殊环境里不会损坏。软件的稳定性还需要在软件上获得保证。当硬件出问题时节点能及时感知并采取积极措施,如重启系统等。另外,对敏感数据需有完整性保护,防止外界因素造成的数据修改。
  汇聚节点位于传感器节点与管理节点之间,连接无线传感器网络内部网络和用户,是无线传感器网络与现有网络设施相融合的关键所在。作为无线传感器网络硬件系统的一部分,在设计汇聚节点时必须从以下几个方面考虑:
  1)具有较强的控制能力,能够管理和监控整个无线传感器网络的运行。
  2)具有较强的数据处理能力,能够将前端传感器节点发送的大量监控数据进行必要的融合打包处理,有时考虑到数据的安全性,还需要对数据进行加密处理。
  3)具有较强的存储能力。数据在向处理中心的管理节点传输的过程中可能丢失或出错,因此汇聚节点需要将接收到的监控数据进行适量的本地存储,以备需要时使用。
  4)具有较稳定的通信能力,较宽的带宽。汇聚节点和管理节点通信时需要传输大量的数据,而且汇聚节点所处环境比传感器节点要好,因此和管理节点通信时可以采用更稳定、可靠的方式。
  5)具有更丰富的硬件接口资源。汇聚节点为了让无线传感器网络与现有网络更好地融合,节点可配置多种硬件接口资源,如以太网接口、IEEE802.15.4标准的无线接口、JTAG调试接口、USB接口等。
  6)具有较好的扩展性和灵活性。汇聚节点应拥有统一的完整的外部接口,在不需要重新开发的情况下,能够很好地适应各类应用环境,进行硬件或软件模块的添加。
  3.节点的基本框架
  根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求,目前问世的由不同公司以及研究机构研制的传感器节点在硬件结构上基本相同,只是在一些有特殊要求的地方存在细微的差别。无线传感器节点包括如下几个基本模块:处理器模块、存储器模块、高频通信模块、传感模块、能量供应模块以及扩展接口等。传感器节点的硬件体系结构如图2-2所示。本章后续内容将详细介绍传感器节点各模块的设计。

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  图2-2  传感器节点的硬件体系结构

  汇聚节点是传感器网络前端节点阵列中的中转站,是保证传感器网络正常运转的关键。汇聚节点主要由处理器模块、存储器模块、高频通信模块、能量供应模块以及扩展接口(如以太网接口、USB接口等)等部分组成,本书不再做详细介绍。
  2.2.2 处理器模块
  处理器模块是无线传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务。考虑无线传感器网络的实际特点,作为硬件平台的中心模块,除了应具备一般单片机的基本性能外还应该有适应整个网络需要的特点:
  1)尽可能高的集成度。受外形尺寸限制,模块必须能够集成更多的节点的关键部件。
  2)尽可能低的能源消耗。处理器的功耗一般很大,而在无线网络中,没有持续的能源供给,这就要求节点的设计必须将节能作为一个重要因素来考虑。为了让系统能长时间工作,系统需要在绝大多数时间处于待机或者睡眠状态,这就要求处理器能支持低功耗的睡眠状态。
  3)尽量快的运行速度。网络对节点的实时性要求很高,要求处理器的实时处理能力要强。快的运行速度可以保证节点及整个网络在最短的时间内完成各种任务,从而快速进入睡眠状态,节省系统资源。
  4)尽可能多的I/O和扩展接口。多功能的传感器产品是发展的趋势,而在前期设计中,不可能把所有的功能包括进来,这就要求系统有很强的可扩展性。
  5)尽可能低的成本。如果传感器节点成本过高,必然会影响网络化的布局。
  从处理器的角度看,传感器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,多数支持动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling,DVS)或动态频率调节(Dynamic Frequency Scaling,DFS)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。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点,如TI的MSP430系列。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。各种常见的微控制器性能比较如表2-1所示。

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  目前处理器模块中使用较多的是Atmel公司的AVR系列单片机,它采用RISC结构,吸取了PIC及8051单片机的优点,具有丰富的内部资源和外部接口。AVR 结构单片机的开发目的就是在于能够采用C语言编程,从而能高效地开发出目标产品。为了实现目标代码大小、性能以及功耗的优化,AVR处理器采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。AVR处理器采用Harvard 结构,程序存储器和数据存储器是分开的,可以分别直接访问。使用ATMega128L芯片(见图2-3)作为核心处理器的无线传感器网络节点的产品包括CrossBow公司生产的Mica2节点、CSRIO研究室的CSRIO节点以及中科院计算所研制的 EASINet 系列节点等。
  就低功耗而言,很多节点采用MSP430作为处理器。TI 公司的MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,能够在低电压下以超低功耗状态工作;其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设;带Flash存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。在无线传感器网络节点应用中MSP430F149(见图2-4)以及MSP430F1611 两种单片机使用最为常见。使用MSP430系列单片机作为核心处理器的无线节点包括Moteiv 公司生产的Tmote 节点(Telos)、ShockFish 公司的TinyNode 584 节点等。

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图2-3  ATMega128L芯片图               2-4  MSP430F149芯片

  此外,芯科实验室(Silicon Laboratories)推出业内最低功耗的基于8051内核的微控制器系列──C8051F91x/0x,可应用在可携式设计和其他强调省电的嵌入式系统,它采用三级流水线的执行架构,是一款高集成度、高性能、低功耗的8位MCU。由于它具有业内最低功耗的性能,该处理器在传感器节点设计上亦可广泛应用。
  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CPU,来满足数据计算量的要求。对于采用高性能处理器的传感器节点也要考虑在性能和功耗之间保持一定的平衡,以求得用最小的功耗代价换取最大的性能提高。
  2.2.3 高频通信模块
  在传感器节点中,核心部分除CPU外,另外一个重要的部分就是通信部分。由于传感器网络应用的特殊性,使用像802.11 这样的复杂协议,在该领域并不十分合适,主要是由于协议的复杂性会带来很大的能量消耗,同时节点的处理功能并不是十分强大,而使用这样复杂的协议要占用大量的处理器资源。
  目前,可以利用的传输媒体有空气、红外线、激光、超声波等,常用的无线通信技术有IEEE 802.11b、IEEE 802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等,如表2-2所示。

表2-2  应用于无线传感器网络的常用无线通信技术
 

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  利用激光作为传输媒体,则节点功耗比用电磁波低,更安全,花费能量少,而且无需天线。其缺点是只能直线传输,易受大气状况影响,传输具有方向性。Smart Dust即采用光作为通信介质。红外线的传输也具有方向性,距离短,不需要天线;但缺点是要求发射器和接收器间视线无遮挡,传输必须定向,传输距离短。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、能提供数厘米的定位精度等优点;缺点是传输距离只有10m左右,隔墙穿透力不好。IEEE 802.11b因为功耗高而应用不多。Bluetooth工作在2.4GHz频段,传输速率可达10Mbit/s;缺点是传输距离只有10m左右,完整协议栈有250KB,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。2.4GHz频段在大多数国家都无需申请许可证,目前是无线传感器网络优先选择的传输频段。IEEE802.15.4协议是面向低成本、低功耗、低速率传输网络应用开发的专用无线通信协议,在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。
  在无线通信中,调制方式也至关重要。目前,常用的调试方式有二进制振幅键控(On-Off Keying,OOK)、振幅键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)。OOK是ASK的特例,常用于传输控制信号,具有简单、便宜、节能(发0时空闲)的优点。FSK在存在干扰时性能好,但更复杂更昂贵。ASK抗干扰好于OOK,比FSK简单便宜。OOK和ASK需要有自调整阈值或自动增益控制(AGC),FSK则不需要。
  随着集成电路技术的飞速发展,无线通信芯片的体积越来越小,价格也越来越低,这也更符合了无线传感器网络微型化和低成本的要求。所以,在无线通信芯片的选择中就要更加关注芯片的性能。目前,常用于传感器节点的无线通信芯片如表2-3所示。
表2-3  无线传感器网络中常用的无线芯片综合比较

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  2.2.4 传感模块
  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。不同种类、不同精度要求的传感器其自身体积和对转换系统的要求也各不相同。在节点设计时,用户可以根据应用领域的需求选择相应的传感器。
  目前,节点的传感模块大体上有两种实现模式。第一种是直接将传感器集成在节点上,此类方法可用于体积较小、应用电路简单的传感器,但集成型的传感器不易于系统扩展,灵活性也不强,一般节点可以集成温度、湿度、加速度、磁力等传感器。第二种实现模式是将传感器以插件的方式与节点连接,主要应用于规模较大的传感模块,如含氧量、光照度等传感器。
  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(几百微安),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DSl8B20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,通常使用场效应晶体管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。
  节点设计时,根据实际需要选择不同的传感器对监测区域内温度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行监测。例如,可选用光敏器件、数字格式传感器和驻极体传声器,对光强、温度、振动和声音等进行探测。下面简要介绍无线传感器网络中常用的几类传感器。
  (1)光照传感器
  5516光敏电阻是基于半导体光电效应工作的光导管,对光照强度感应灵敏度相当高,当受到一定波长范围的光照时,其阻值(亮电阻)急剧减小,电流迅速增加,通过参考电阻分压后进行模-数转换即可获得光敏电阻的阻值,进而换算出光照强度。
  (2)加速度传感器
  美国模拟器件公司(Analog Device Instrument,ADI)的ADXL202是双轴向加速度传感器,它采用先进的微型机电系统技术,在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器,集成精确的信号处理电路,可测静态及动态加速度。该传感器可广泛应用于惯性导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运动状态测试等领域。
  (3)温度传感器
  DSl8B20单线数字温度传感器是美国DALLAS公司推出的新一代温度传感器,它具有微型化、低功耗的特点,与其他温度传感器相比,具有以下特性:供电电源为3.0~5.5V;独特的单线接口方式,支持多点组网功能;可实现高精度测温;转换速度快;具有极强的抗干扰纠错能力;电源极性接反时芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
  LM135/235/335系列是美国国家半导体公司(National Semiconductor,NS)生产的一种高精度易校正的集成温度传感器,工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件的灵敏度为10mV/K,具有小于1?的动态阻抗,工作电流范围从400μA~5mA,精度为1℃,LM135的温度范围为-55~150℃,LM235的温度范围为-40~125℃,LM335的温度范围为-40~100℃。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。
  (4)烟雾传感器
  NIS-05离子式传感器是一种低放射型的标准传感器,最大供电电压24V,由于阻抗很高容易被外界电子噪声所干扰,所以PCB设计时要注意保护措施。NIS-05的1脚为VCC,2脚为电压输出,3脚为接地。由于阻抗高,2脚输出电流很小,需采用输入电流较小的运放,一般采用LMC6042。
  (5)声音传感器
  HX034P驻极体传声器是电容式微传声器。输入信号为声音信号,输出信号经MAX4466构成的前置放大电路后进行电压值A-D采样,处理器的A-D采样频率可达200kHz,可捕获到声音信号。
  (6)温湿度传感器
  瑞士Sensirion低成本数字湿度传感器SHT1x(包括SHT10,SHT11和SHT15)属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上,输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens®技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件和一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上与14位的A-D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此,此系列传感器具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。
  2.2.5 能量供应模块
  节点电池种类很多,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。此外,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,则应选择不可充电电池。在可充电电池中,锂电池和锂聚合物电池的能量密度最高,但是成本也比较高;镍锰电池和锂聚合物电池是唯一没有毒性的可充电电池。
  电池按电化材料可分为NiCd(镍铬)、NiZn(镍锌)、AgZn(银锌)、NiMH(镍氢)、Lithium-Ion(锂离子)。不可充电电池的能量密度大。可充电电池中,锂电池好,但价格高。脉冲充电时,锂电池差,镍铬电池好。镍氢电池对环境最好,能量密度仅次于锂电池,且可任意充电无记忆效果,但需要过充过放保护。
  常用电池的性能参数如表2-4所示。
       表2-4  常见电池的性能参数

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  无线传感器网络节点一般工作在户外,可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、风能、振动能、核能等。由于可充电电池的充电次数是有限的,而且大多数可充电电池有记忆效应,因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电,否则会大大缩短电池的使用寿命。
  无线传感器网络中的节点要实现信息的采集、处理和收发,同时还具有路由功能。节点一般都由电池供电,受工作环境因素(恶劣、危险、远程等)和节点体积、成本因素的限制,难以进行电池更换或电能补充。对于面向实时监测的混合式无线传感器网络系统而言,节点要长期处于工作状态(Always-on),因此电池能量是决定无线传感器网络系统的性能和生命周期的关键因素,由节点所处环境获取能量来实现自供电是解决问题的一个有效途径。考虑到环境能量采集(Ambient Power Harvesting)技术的迅速发展,具有能量补给的传感器节点将成为无线传感器网络中研究的一大热点。
  节点从所处环境中捕获其他形式的能量并转换为可用电能的过程称为能量采集(Power Harvesting)。目前可用的采能技术比较多,主要的能量来源有太阳能、振动、温度、气流和压力变化等。如表2-5所示,虽然太阳能技术的采能效率最高且成熟实用,但因太阳能在环境中的时空局限性与网络的全天候使用矛盾而难以满足需求。除太阳能外的其他采能方式(如温差、气流等)中,在有振源的环境中实现振动采能已经证明非常有效。Roundy等在压电和静电两方面的研究都很有成效,采能器的传输功率可达375 。
表2-5  多种采能技术采能效率的比较
  2.2.6  外部接口
  传感器节点是用来采集所处环境的信息和参数的,由于节点的应用需求不同,因此节点所带的传感器也不同。为了增加无线传感器网络节点的通用性以及可扩展性,部分传感器节点的设计中将处理器/通信电路部分与传感器模块分别进行了设计,中间采用扩展接口将处理器/通信电路板与传感器电路板进行连接。采用这种结构设计电路的好处是增加了节点的扩展性能,在不同的要求下,若需要采用不同的传感器,只需要更换不同的传感器电路板就可以,而不需要重新设计处理器和射频电路部分。若对于传感器节点只需要采集某种固定的环境参数,则将处理器/通信电路和传感器电路设计在同一个电路板上,这样虽然降低了传感器节点的通用性,但也同时降低了节点的成本以及增加了节点的可靠性。
  节点外部接口包括JTAGE接口、ISP编程接口、RS-232接口、充电接口、传感器接口、SMA天线座接口等。节点使用JTAGE、ISP多种方法下载程序;使用RS-232接口直接与计算机串口连接;可根据不同需求经传感器接口挂接不同的传感器模块;在有充电条件的情况下,可通过充电接口迅速为节点补充能量。
  2.2.7  典型的无线传感器网络节点
  无线传感器网络是在特定应用背景下以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合,故节点是整个无线传感器网络正常运行的基础。传感器节点必须具有微型化、低成本、可灵活扩展、稳定安全等特性。节点系统的理论和技术的研究包括节点硬件和操作系统的设计。
  目前使用得最为广泛的传感器节点是Smart dust和Mica系列。Smart dust(见图2-5)是美国DARPA/MTO MEMS支持的研究项目,其目的是结合MEMS技术和集成电路技术,研制体积不超过1mm3、使用太阳电池、具有光通信能力的自治传感器节点。Mica系列节点是加州大学伯克利分校研制的用于无线传感器网络研究的演示平台节点。Mica系列节点包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和Spec等,其中Mica2、Mica2dot已由Crossbow公司包装生产。如果用户需要高精度监控的工业环境(如机床状态监测),需要对数据作预先的分析处理,这就要求传感器节点同时具有强大的计算能力。目前,Crossbow公司推出的高性能Imote2节点(见图2-6),集成了高性能、低功耗的PXA271 Intel XScale处理器芯片和一个内置2.4GHz天线IEEE 802.15.4的射频器,为数字图像、工业振动监控等高精度、高频率的无线传感器网络应用提供了一个高性能平台。

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图2-5  Smart dust                         图2-6  Imote2节点

  由于应用领域的不同,目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台(见表2-6)。各节点的硬件平台最主要的区别是采用了不同的处理器、电源、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器等。 
表2-6  典型的无线传感器网络节点

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  国内典型的无线传感器网络节点有南京邮电大学的无线传感器网络系列节点UbiCell、中国科学院计算技术研究所的GAINS系列节点、香港科技大学的无线传感器网络节点、成都无线龙的ZigBee节点等。