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低成本无线传感器网络节点设计成功 |
| 点击次数：208 发布时间：2008-2-22 |
借助SOC技术，无线传感网络节点的体积就可以大大减小，应用领域和范围不断扩大。计算机技术从诞生之日起就一直朝着小型化、智能化和操作简单化发展，而且其应用领域也在不断扩展并逐渐深入到我们的日常生活中，特别是近几年来无线传感网络技术的出现更是将这一规律推向了极致，它正在悄悄地改变着信息产业的形态，并必将影响着我们工作和生活的方方面面。
要想让无线传感网络走向现实，必须从硬件设计、软件设计、通信协议到应用研究等各方面进行深入的研究。我们将介绍一种较实用低成本的无线传感网络节点设计方案，希望给国内同行一定的启发。
无线传感网络节点体系结构
无线传感网络在设计目标方面有别于传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话等），后者要不应用于高度移动的环境中，要不就是强调资源管理策略和服务质量保证（QOS）。而在无线传感网络中，网络节点往往是相对稳定的或者静止的，而且通常运行在十分复杂的外界环境中，节点的密集程度较高且分布随机。其大部分应用都是需要通过电池进行供电，所以电源供电和功耗问题是无线传感网络节点软硬件设计的核心问题。
无线传感网络节点是无线传感网络的主要组成部分，目前，人们普遍认为：无线传感网络节点在未来将是一次性的（就如同现在的一次性餐具一样），因此，节点不仅要成本低廉，而且工作时间要尽可能长。无线传感网络中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用无线自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个的节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式；另一方面软件必须支持多跳的路由协议，IEEE 802.15.4/ZigBee协议充分考虑了无线传感网络应用需求，是目前被业界普遍看好的一种无线通信协议。基于这些基本的思想，我们设计了一种无线传感网络节点，并在实际中得到了应用，而且也提出了一些新的设计思路和一些有待进一步研究解决的问题。
无线传感网络节点的体系结构设计主要包括硬件体系结构设计、软件体系结构设计和软硬件协同设计三个方面。硬件一般包括传感器﹑微控制器和无线收发器等三个部分，如图1所示，传感器部分是节点伸入自然界的触角，它主要负责信息的采集并将其他如光信号、电信号、化学信号转变为数字信号并送给微控制器；微控制器需要完成所有我们所需要的处理，其中最主要是的需要实现自组织网络的安全可靠的无线通信协议；第三部分的射频模块负责发送数据，即通信的物理实现。
无线传感网络软件是由嵌入式操作系统﹑无线通信协议和面向具体应用的软件任务等所组成的，如图2所示，可以综合为系统层和用户层两大部分，图中的系统调用层主要包括文件系统、无线通信协议、设备管理、低功耗分布式处理等，核心结构层主要包括了内存管理、进程调度、中断管理等内容。实际上，纯粹的硬件设计或是软件是远远不够的，如低功耗设计往往是需要二者的配合才能达到理想的效果。图3中给出了中科院计算所自行设计的无线传感网络节点原型系统，它具有和国外最新产品几乎完全相同的性能。 |
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