特定傳感器平臺(tái)側(cè)重于節(jié)點(diǎn)的超低功耗和體積的微型化設(shè)計(jì)，但同時(shí)也決定了其處理能力和傳輸能力很有限。比如UCBerkeley的Spec[l]就是在2．5mm×2．5mm的硅片上集成了處理器、RAM、通信接口和傳感器的一種節(jié)點(diǎn)，它靠一個(gè)附帶的微型電池供電可以連續(xù)工作幾年，但在其原型版本中只有單向的通信鏈路；再如由DAR-PA／MTOMEMSprogram支持UCBerkeley研發(fā)的SmartDust也是一種超微型的節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)體積是1mm3左右，由于使用光通信并采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種工作模式，其功耗可以進(jìn)一步降低。

    通用傳感器平臺(tái)對(duì)體積要求有所放寬，側(cè)重于節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性和測(cè)試需求，但同樣對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗有較嚴(yán)格的要求，這類平臺(tái)也是目前在實(shí)驗(yàn)研究和產(chǎn)品化中應(yīng)用最多的。該類型中以UCBerkeley的Mica系列節(jié)點(diǎn)為主要代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot、Mica-Z等不同版本。

    高帶寬傳感器平臺(tái)的主要特點(diǎn)是處理能力強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、接口豐富，其射頻帶寬比前兩種更寬，甚至可以進(jìn)行音視頻信號(hào)的傳遞。該類節(jié)點(diǎn)的典型代表是由Intel公司設(shè)計(jì)的Imote，它采用ARM7TDMI內(nèi)核，可通過藍(lán)牙接口與PDA等設(shè)備連接，由于功能強(qiáng)大，相應(yīng)的系統(tǒng)功耗也有所增加。

    網(wǎng)關(guān)平臺(tái)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的部分，通常它的處理能力和接口帶寬比其他幾類更高。它實(shí)現(xiàn)的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他類型網(wǎng)絡(luò)之間，或者是不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，由通用接口使用協(xié)議轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)。

    1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    1．1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)node與匯集節(jié)點(diǎn)sink決定了檢測(cè)區(qū)域的范圍，各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過自組織的多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)gate；然后通過串行通信接口傳送至網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)并接入Internet，遠(yuǎn)程的監(jiān)控終端可以通過Internet獲取監(jiān)控范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

    在該網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)接入設(shè)備和監(jiān)控終端均可使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，以下主要關(guān)注的是終端節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。從數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度來看，由于采用的是一種樹狀網(wǎng)絡(luò)，所以終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最少，僅需在特定的檢測(cè)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并送出；匯集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量稍大，需要接收多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過初步處理后送至下一匯集節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量最大，需要接收整個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過解析、融合、協(xié)議轉(zhuǎn)換等處理后再送入Internet。從能源需求來看，終端節(jié)點(diǎn)能耗最小，匯集節(jié)點(diǎn)次之，但這兩類節(jié)點(diǎn)通常都只能使用自帶的有限能源，一旦耗盡即停止工作；而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)雖然能耗大，但可以采用外部能源持續(xù)供給，在功耗上可以不作苛刻要求。因此，在全網(wǎng)中主要針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)的能耗作嚴(yán)格要求并在多層次進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地延長(zhǎng)全網(wǎng)的有效工作時(shí)間。

    1．2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種典型的自組織網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的加入、退出或移動(dòng)而改變，各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的功能也隨之動(dòng)態(tài)變化，因此在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)或匯集節(jié)點(diǎn)的能力。終端節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)可統(tǒng)稱為"普通節(jié)點(diǎn)"，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    在普通節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU作為系統(tǒng)控制核心，后面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹；存儲(chǔ)器SST29VE020用作外部程序存儲(chǔ)器，容量為256KB；A／D轉(zhuǎn)換器MAX152用于將外部傳感器經(jīng)調(diào)理后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；射頻收發(fā)模塊使用Chipcon公司支持ZigBee協(xié)議的CC2420[2]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上看是類似的，只是工作環(huán)境不同且功能需求有所增加，可由普通節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。 

    28位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU設(shè)計(jì)

    在現(xiàn)有的各類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中都采用的是嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一些通用處理器單元，而沒有針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)專用的控制核心，因而節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中會(huì)受到體積、功耗、接口、資源等方面的限制，甚至在某些設(shè)計(jì)中還存在資源浪費(fèi)的情況。這對(duì)節(jié)點(diǎn)的低功耗、微型化設(shè)計(jì)非常不利，因此在本設(shè)計(jì)中自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗MCU，作為節(jié)點(diǎn)控制核心。

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