无线传感器网络原理及应用第8章硬件平台设计

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1、第8章硬件平台设计8.1无线传感器网络的硬件开发概述8.2节点的硬件设计8.3传感器节点设计实例8.4小结8.1无线传感器网络的硬件开发概述传感器网络具有很强的应用相关性，在不同的应用要求下需要配套不同的网络模型、软件系统和硬件平台。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的集合，而传感器节点是为传感器网络特别设计的微型计算机系统。传感器节点是无线传感器网络的基本构成单位，由其组成的硬件平台和具体的应用要求密切相关，因此节点的设计将直接影响到整个无线传感器网络的性能。无线传感器网络通常包括传

2、感器节点、汇聚节点(sinknode)、处理中心、外部网络。大量传感器节点随机部署在感知区域(Sensorfield)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进行集中处理。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，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

3、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，它连接无线传感器与互联网等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络。8.1.1硬件系统的设计特点与要求传感器节点是为无线传感器网络特别设计的微型计算机系统。无线传感器网络的特点决定了传感器节点的硬件设计应该重点考虑以下几个方面的问题。1．微型化微型化无线传感器节点应该在体积上足够小，保证对目标系统本身的特性不会造成影响，或者所造成的影响可忽

4、略不计。在某些场合甚至需要目标系统能够小到不容易被人所察觉的程度，以完成一些特殊任务。在软件方面，要求所有模块的软件模块都应该尽量精简，没有冗余代码。对不同的应用系统需要配套不同的软件代码。从操作系统到各种硬件设备的驱动模块，乃至到应用程序模块都需要仔细设计。这些限制都是由有限的硬件资源决定的。2．低成本和低功耗低成本是对传感器节点的基本要求。只有低成本，才能将传感器节点大量地布置在目标区域中，表现出传感器网络的各种优点。低成本对传感器各个部件都提出了苛刻的要求。首先，供电模块不能使用复杂而且昂贵的方案；其次，能源有限的限

5、制又要求所有的器件都必须是低功耗的；最后，传感器不能使用精度太高、线性很好的部件，这样会造成传感器模块成本过高。无线传感器网络对低功耗的要求一般都远远高于目前已有的蓝牙、WLAN的无线网络。传感器节点的硬件设计直接决定了节点的能耗水平，还决定了各种软件通过优化(如网络各层通信协议的优化设计、功率管理策略的设计)可能达到的最低能耗水平。通过合理地设计硬件系统，可以有效地降低节点能耗。3．扩展性和灵活性扩展性和灵活性是指无线传感器节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，而不需要开发新

6、的节点。同时，节点可以按照功能拆分成多个组件，各组件之间通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下，选择不同的组件自由配置系统，这样就不必为每个应用都开发一套全新的硬件系统。当然，部件的扩展性和灵活性应该以保证系统的稳定性为前提，必须考虑连接器件的性能。软件的扩展性体现在节点上的软件不需要额外的设备就可以自动升级，最简单的方法就是通过无线接口直接进行软件的下载和升级。无线信息的光波特性可以实现多节点的同步升级，为节点软件的远程升级提供了便利的条件。软件模块同样要做到组件化和可配置化。所有的软件模块独立并且有标准的模块接口，这

7、样不同的应用系统可以根据自身的需要配置满足要求的最小系统。4．稳定性和安全性传感器节点的稳定性和安全性需要结合软硬件设计来实现。稳定性设计要求节点的各个部件能够在给定的应用背景下(可能具有较强的干扰或不良的温、湿度条件)正常工作，避免由于外界干扰产生过多的错误数据。但是过于苛刻的硬件要求又会导致节点成本的提高，应在分析具体应用需求的条件下进行权衡处理。此外，关于节点的电磁兼容设计也十分重要。安全性设计主要包括代码安全和通信安全两个方面。在代码安全方面，某些应用场合可能希望保证节点的运行代码不被第三方了解。很多微处理器的存储

8、器芯片都具有代码保护的能力。8.1.2硬件系统的设计内容无线传感器节点的基本硬件功能模块组成如图8-1所示，主要由数据处理模块、数据采集模块、无线通信模块、电源模块和其他外围电路组成。数据处理模块是节点的核心模块，用于完成数据处理、数据存储、通信协议的执行和节点调度管理等工作；数据采集模块包括各种传感器