WSN节点的设计

1.1 WSN节点的功能

传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。

1.2 WSN节点的组成结构

(1)传感单元：由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。

(2)处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、输入输出接口及嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。

(3)通信单元：由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。

(4)能量供应单元：负责为传感器节点提供运行所需的能量。

1.3 设计原则

1、低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长）。设计中从硬件和软件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。

2、良好的射频性能：同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距离也较大。

3、节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。

4、低成本：节点模块不能太多且不能太复杂。

5、可扩展性：采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模块，比如传感器模块可以做一个通用口。

1.4 现有无线传感器节点

表 1无线传感器节点的参数比较

1Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点

2MeshNetic公司

3Moteiv公司

4中科院宁波所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点同。

其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gainst-CC2430节点。

下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、Gainst-CC2430节点做进一步比较：

1.4.1 现有无线传感器节点方案对比

1、Atmega128L+CC2420 (成本：45+39=84元)

ATmega128L 是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，工作速度可达8MIPS，工作电压是2．7 V到5．5 V。哈佛结构使程序和数据分开存储访问，程序执行效率更高，内置128K字节的Flash程序存储器，4 K字节EEPROM，4 K字节的内部SRAM。此外，ATmegal28L 还有53个通用I／O 、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时器／计数器、2个USART、1个面向字节的两线接口wTI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、1个SPI同步串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，以及六种可以通过软件选择的省电模式。ATmega128L的最低工作电压是2．7 V，掉电模式的电流消耗小于15 uA，采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消耗约16 uA。

2、MSP430F149+CC2420（成本：40.5+39=79.5元）

是一片集成度高、功能丰富、功耗极低的16位单片机，工作电压1．8 V到3．6 V，具有个一个硬件乘法器，60 K字节Flash，2 K字节RAM，基础时钟模块包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器；看门狗定时器可用作通用定时器；带有3个捕捉／比较寄存器的16位定时器；带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器；2个具有中断功能的8位并行端口；4个8位并行端口；模拟比较器；1 2位A／D转换器；2通道串行通信接口。MSP430系列单片机最低工作电压为1．8 V，实时时钟待机电流的消耗仅为1.1 u A，运行模式电流300 uA(1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1 uA～400 uA之间，RA M 在节电模式耗电为0.1 uA ，等待模式下仅为0.7 uA。

3、CC2430内嵌80C51内核（成本：65元）

CC2430完全满足IEEE802.15.4 和 ZigBee的应用,CC2430特别适合于低功耗系统的应用。

◆ 高性能和低功耗的8051 微控制器核。

◆ 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。

◆ 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。

◆ 强大的DMA功能。

◆ 32//128KB的片上可编程flash。

◆ 8KB的SRAM，在四种电源模式下有4KB的存储单元有数据保持能力。

◆ 很少的外设相连

◆ 低能耗（RX:27mA TX :25 mA 微控制器工作在32MHz条件下）

◆ 在休眠模式时仅0.9 μA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统。

◆ 硬件支持CSMA/CA 功能。

◆ 较宽的电压范围（2.0～3.6 V）。

◆ 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。

◆ 具有电池监测和温度感测功能。

◆ 一个通用的16位定时器，两个8位的定时器。

◆ 支持硬件调试

◆ 集成了14 位模数转换的ADC。

◆ 集成AES 安全协处理器。

◆ 带有2 个强大的支持几组协议的USART，以及1 个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC 计时器，1个常规的16 位计时器和2 个8 位计时器。

◆ 强大和灵活的开发工具。

1和2两种方案比较的话：明显看出2方案在功耗方面有明显的优势：Atmega128L的最低供电电压是2.7V,掉电模式的电流消耗小于15 uA，采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消耗约16 uA。相比较而言MSP430的最低工作电压是1.8V，实时时钟待机电流的消耗仅为1.1 u A，运行模式电流300 uA(1 MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 us。1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1 uA～400 uA之间，RA M 在节电模式耗电为0.1 uA ，等待模式下仅为0.7 uA。

2和3两种方案比较的话：

成本方面：

CC2430 65元/片，实现MSP430F149+CC2430节点要 79.5元。

外围电路的考虑：

CC2430所需的外围电路少。MSP430+CC2420在电源供电的时候考虑到数字供电对模拟部分(高频)的干扰，在一个板子上实现这样很难避免干扰。在外围晶振电路的考虑上，图1中需要3个晶振电路，而图2中只需要2个晶振电路。电源管理模块若采用图2方案，由于不需要对MCU和射频芯片分开来供电，这样就比较简单了。

功耗方面：

为了节省功耗CC2430有四种电压管理模式（PW0-PW3）耗能逐渐减少。外部中断使节点从休眠模式到正常工作模式所消耗的电流不到0.6 uA。CC2430采用SOC技术把MCU和射频单元做到一块芯片工作的能耗（RX:27mA TX :25 mA）。而MSPF149+CC2420，CC2420(RX:19.7mA TX :17.4 mA),再加上MSP430的功耗（到目前为止查阅了大量资料，还没有那篇论文上/手册上有明确提出方案2，在不同的工作模式下的能耗是怎样的？只有谈到MSP430这块芯片的具体耗能），总体上感觉采用SOC技术的产品能耗更具有优势。

从无线传感器技术的发展来看，MCU和射频单元能够做到一块片子上，是以后发展的一个趋势，这样可以把节点做的更小。Intel和Chipcon都在做这方面的工作。（CC2430芯片为Chipcon公司产品）。

综上所述我们开发节点选用方案3比较合适。

2 硬件平台设计

2.1 CC2430芯片主要技术指标

   CC2430 芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE 的IAR 工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon 公司全球先进的ZigBee 协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee 解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee 之外2.4 GHz 频率的其他设备。

2.2 CC2430芯片的主要特点

CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB 的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog 　timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power 　On 　Reset)、掉电检测电路(Brown 　out 　detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。

CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430 芯片的主要特点如下：

◆ 高性能和低功耗的8051 微控制器核。

◆ 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。

◆ 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。

◆ 在休眠模式时仅0.9 μA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统。

◆ 硬件支持CSMA/CA 功能。

◆ 较宽的电压范围（2.0～3.6 V）。

◆ 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。

◆ 具有电池监测和温度感测功能。

◆ 集成了14 位模数转换的ADC。

◆ 集成AES 安全协处理器。

◆ 带有2 个强大的支持几组协议的USART，以及1 个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC 计时器，1个常规的16 位计时器和2 个8 位计时器。

◆ 强大和灵活的开发工具。

2.3 CC2430 芯片的引脚功能

CC2430 芯片采用7 mm×7mm QLP 封装,共有48 个引脚。全部引脚可分为I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。

2.3.1 I/O 端口线引脚功能

CC2430 有21 个可编程的I/O 口引脚，P0、P1 口是完全的8 位口，P2 口只有5 个可使用的位。通过软件设定一组SFR 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O 口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O 口使用。

I/O 口有下面的关键特性：

图3 CC2430芯片

◆ 可设置为通常的I/O 口，也可设置为外围I/O 口使用。

◆ 在输入时有上拉和下拉能力。

◆ 全部21 个数字I/O 口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O 口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。

1～6 脚（P1_2～ P1_7）： 具有4 mA 输出驱动能力。

8，9 脚（P1_0，P1_1）： 具有20 mA 的驱动能力。

11～18 脚（P0_0 ～P0_7）： 具有4 mA 输出驱动能力。

43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4 mA 输出驱动能力。

2.3.2 电源线引脚功能

7 脚（DVDD）： 为I/O 提供2.0～3.6 V 工作电压。

20 脚（AVDD_SOC）： 为模拟电路连接2.0～3.6 V 的电压。

23 脚（AVDD_RREG）： 为模拟电路连接2.0～3.6 V 的电压。

24 脚（RREG_OUT）： 为25，27～31，35～40 引脚端口提供1.8 V 的稳定电压。

25 脚 (AVDD_IF1 )： 为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA 的第一部分电路提供1.8 V 电压。

27 脚（AVDD_CHP）： 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V 电压。

28 脚（VCO_GUARD）： VCO 屏蔽电路的报警连接端口。

29 脚（AVDD_VCO）: 为VCO 和PLL 环滤波器最后部分电路提供1.8 V 电压。

30 脚（AVDD_PRE）: 为预定标器、Div 　2 和LO 缓冲器提供1.8 V 的电压。

31 脚（AVDD_RF1）: 为LNA、前置偏置电路和PA 提供1.8 V 的电压。

33 脚（TXRX_SWITCH）: 为PA 提供调整电压。

35 脚（AVDD_SW）: 为LNA/PA 交换电路提供1.8 V 电压。

36 脚（AVDD_RF2）: 为接收和发射混频器提供1.8 V 电压。

37 脚（AVDD_IF2）: 为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1.8 V 电压。

38 脚（AVDD_ADC）: 为ADC 和DAC 的模拟电路部分提供1.8 V 电压。

39 脚（DVDD_ADC）: 为ADC 的数字电路部分提供1.8 V 电压。

40 脚（AVDD_DGUARD）: 为隔离数字噪声电路连接电压。

41 脚（AVDD_DREG）: 向电压调节器核心提供2.0～3.6 V 电压。

42 脚（DCOUPL）: 提供1.8 V 的去耦电压，此电压不为外电路所使用。

47 脚（DVDD）: 为I/O 端口提供2.0～3.6 V 的电压。

2.3.3 控制线引脚功能

10 脚（RESET_N）: 复位引脚，低电平有效。

19 脚（XOSC_Q2）: 32 MHz 的晶振引脚2。

21 脚（XOSC_Q1）: 32 MHz 的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。

22 脚（RBIAS1）: 为参考电流提供精确的偏置电阻。

26 脚（RBIAS2）: 提供精确电阻，43 kΩ，±1%。

32 脚（RF_P）: 在RX 期间向LNA 输入正向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入正向射频信号。

34 脚（RF_N）: 在RX 期间向LNA 输入负向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入负向射频信号。

43 脚 (P2_4/XOSC_Q2): 32.768 kHz XOSC 的2.3 端口。

44 脚 (P2_4/XOSC_Q1): 32.768 kHz XOSC 的2.4 端口。

2.4 电路典型应用

2.4.1 硬件应用电路

CC2430 芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。图4 为CC2430 芯片的内部结构和外围电路。 电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C341 和电感L341、L321、L331 以及一个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50 Ω)的要求。内部T/R 交换电路完成LNA 和PA 之间的交换。R221 和R261 为偏置电阻，电阻R221主要用来为32 MHz 的晶振提供一个合适的工作电流。用1 个32 MHz 的石英谐振器（XTAL1）和2 个电容（C191 和C211）构成一个32 MHz 的晶振电路。用1 个32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL2）和2 个电容（C441 和C431）构成一个32.768 kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8 V 电压的引脚和内部电源供电，C241 和C421 电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。

图4 CC2430的典型应用电路

表2 CC2430典型应用外围部件一览表

CC2430 包括3 个不同产品：CC2430-F32、CC2430-F 和CC2430-F128，均可用作ZigBee 协调器、路由器和终端设备。三者的区别在于内置闪存的容量不同(32KB、KB 和128KB)，以及针对不同的IEEE802.14.5/ZigBee 应用分别进行了成本优化。

目前，国内外嵌入式射频芯片中，CC2430 芯片是性能最好、功能更强的一个。它结合了市场领先的Z-StackTM ZigBeeTM 协议软件和其它Chipcon 公司的软件工具，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。相信在未来几年，它的应用将会涉及到社会的更多领域。

2.5 传感器单元

2.5.1 温度传感器：Maxim公司的 DS18B20。价格<10元。

DSl820数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出，因此从主机CPU到DSl820仅需一条线(和地线)。DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl820的测量范围从-55°C到+125°C，增量值为0.5°C，可在ls(典型值)内把温度变换成数字。

　　每一个DSl820包括一个唯一的位长的序号，该序号值存放在DSl820内部的ROM(只读存贮器)中。开始8位是产品类型编码(DSl820编码均为10H)。接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。DSl820中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负°C，则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB(最低位)的1表示0.5°C。将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值。

DS18B20的主要特性：

1、电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温

7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

8、测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

产品图片：

2.5.2 瓦斯传感器: 北京东方吉华科技有限公司 KGS-20  价格：20元

瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司生产的KGS-20低功耗瓦斯传感器，如下图所示。KGS-20以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。

它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。

KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。

特性参数 

　　l、回路电压：（Vc）1~5V 

　　2、取样电阻：（RL）0.5-20KΩ 

　　3、加热电压：（VH）0.9±0.05V 

　　4、加热功率：（P）约150mW 

　　5、灵敏度：R0（air）／RS（5000ppmCH4）＞5 

　　6、响应时间：Tres＜10秒 

　　7、恢复时间：Trec＜30秒 

产品图片： 

2.5.3 加速度传感器：ADI公司 ADXL202  价格：210元

　ADXL202是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器，其测量范围为±2g。ADXL202既能测量动态加速度(如振动加速度)，又能测量静态加速度(如重力加速度)。

　　ADXL202可输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器，而不需A/D转换或附加其它电路。输出信号周期在0.5ms～10ms范围内，可用外接电阻RSET调节。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出，则可从XFILT和YFILT管脚输出信号，或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。

　　ADXL202的带宽可以通过电容CX和CY在0.01Hz～5kHz的范围内设定。其典型噪声值为500μg/(Hz)1/2，60Hz带宽时的分辨率为5mg。

　　ADXL202采用14引脚表面封装。有两种工作温度范围：商业温度范围为0℃～70℃，工业温度范围为－40℃～＋85℃。

ADXL202具有以下特点:

　　1、ADXL202是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路；

　　2、它既可测量动态加速度，又可测量静态加速度；

　　3、具有脉宽占空比输出；

　　4、低功耗(<0.6mA)；

　　5、比电解质、水银、热能、斜度测量仪响应快；

　　6、每根轴的带宽均可通过电容调整；

　　7、60Hz带宽时的分辨率为5mg；

　　8、直流工作电压为＋3V～＋5.25V；

　　9、可承受1000g的剧烈冲击。

3 软件

1、软件开发环境为 IAR Embedded WorkbenchTM for 8051 具体的版本是EW8051-EV-720H ；

2、Z-Stack是TI提供的符合Zigbee的免费协议栈，完全可以运行在GAINST_CC2430节点上，利用Z-Stack，用户能快速的开发适合自己的Zigbee应用。

附中科院宁波所GAINST_CC2430节点

GAINST_CC2430节点硬件组成部分介绍

●板载光敏传感器，用于监测光强度

●板载手柄方向键，用于外设输入控制

●板载分压计，用于监测电压

●提供开关控制2个，分别用于硬件复位和外设中断触发

●提供LED指示2个，用于程序调试和节点状态指示

●提供USB接口，用于flash编程，在线调试

●提供RS232接口一个，用于跟后台通信或者连接其他的串口设备

●可以选择电池供电（两节AA电池）或DC直流供电

●提供丰富的IO扩展口，方便功能扩展