基于FPGA的WSNs低功耗节点设计与实现.pdf

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1、104传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2012年第31卷第1期基于FPGA的WSNs低功耗节点设计与实现李长庚，卢浩昌，潘雪伦，刘威鹏(中南大学物理科学与技术学院，湖南长沙410083)摘要：基于FPGA结构灵活、可编程性强，具有强大的并行数据处理能力等优点，采用低功耗的ZigBee技术对无线传感器网络(WSNs)节点进行软硬件设计。植入Nios系统和相关的IP核到芯片EPIC12Q240c8中，协同具有多种工作模式的CCll00射频芯片，实现节点的功能，并进行了功耗测试及比较。结果表明：节点功耗

2、低，具有良好的可扩展性和移植性，达到了WSNs节点设计的要求，可用于工业生产。关键词：无线传感器网络；现场可编程门阵列；ZigBee协议；CCl100中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)01-0104--03DesignandimplementationofWSNslowpowerconsumptionnodebasedonFPGALIChang—geng，LUHao—chang，PANXue—lun，LIUWei-peng(SchoolofPhysicalScienceandTechnology，CentralS

3、outhUniversity，Changsha410083，China)Abstract：Basedonthecharacteristicsofflexiblestructure，strongprogrammabilityandparalleldataprocessingcapabilityofFPGAplatform，thehardwareandsoftwareofWSNsnodebyusinglowpowerconsumptionZigBeetechnologyaredesigned．NiossystemsandrelatedIPcoreareemb

4、eddedtothechipEP1C12Q240C8incollaborationwithavarietyofoperatingmodesoftheCCl100RFchiptorealizethefunctionofthenode．Nodepowerconsumptiontestingandcomparisonaremade．TheresultsshowthatthenodecansupplythedesigndemandofWSNsanditalsohaslowpowerconsumption，expansibilityandportability，w

5、hichcanbeusedforindustrialproduction．Keywords：WSNs；FPGA；ZigBeeprotocol；CCl1000引言距离无线通信技术，能实现多节点之间的相互协调通信，可无线传感器网络(WSNs)是由大量传感器节点随机部靠的数据传输，已被认为比较适合WSNs的通信协议J。署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成的。本文基于FPGA平台，采用能实现ZigBee技术的CCl100节点性能的优劣关系到整个网络的工作效率，因此，设计出射频芯片，对节点进行软硬件设计，并进一步降低节点的功耗，实现一种更具有优势的网络节点设

6、计。高性能节点成为网络硬件设计的关键。1节点的硬件设计作为WSNs的核心——网络中的各个节点，其处理器目传感器网络节点是WSNs实现其应用功能的核心，承前多采用8位处理器或不同系列ARM应对不同需求。节担着数据采集、管理，节点间组网通信，多跳路由，资源管点可以完成数据采集、发送、接收和处理等基本任务，但数理，功耗管理等功能。因此，为了使所设计的WSNs节点能据处理能力弱，速率低，灵活性差，不足以达到WSNs在各够组成适用范围广泛，系统稳定安全、寿命长久，性能优越个领域的要求。FPGA的出现打破了此僵局。FPGA是在的网络，节点应具备：低功耗’、低成本、模

7、块化和可扩展PAL，GAL，CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的成的优点。果，它具有非常强大的并行数据处理能力，而且数据容量本文采用低功耗、低成本的FPGA芯片EP1C12Q24OC8大，内部结构灵活，可重复配置，能进一步改善节点的功能，充分发挥两者的优势。ZigBee技术是在IEEE802．15．4标和RF模块CCl100组成节点的硬件构架，具体的硬件电路准的基础上发展起来的一种低功耗、低成本、配置灵活的近结构如图1所示。收稿日期：20115_29基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(O9JJ5044)第1期李长庚，等：基于FPGA的WSNs低功耗

8、节点设计与实现105有多个时钟管理器，可以通过倍频、分频以符合不同设计的要求。本