无线传感器软硬件分析

（一）无线传感器的硬件组成及性能

一个无线传感器节点是由四个基本组成部分构成：①检测单元；②处理单元；③无线电收发装置；④动力单元。检测单元还包括两个子单元，即传感器和模数转换单元，检测到的模拟数据经模数转换单元转换为数字信号后传给处理单元。处理单元通常和一个较小的存储单元相连，用于管理当前节点的处理过程以使其与其他节点共同完成分配的检测任务。无线电收发装置则将节点与传感器网络连接。在传感器节点中最重要的组件之一是动力单元，由动力获取单元供应（如：太阳能电池）。另外，还有一些辅助的子单元，大多数传感器网络中路由技术和检测任务对传感器位置精度要求很高，所以通常每个传感器节点都有一个定位系统，以及有时需要完成特定的检测任务时所需的移动装置。

在实验室试验中采用了由UCBerkeley大学研究开发的MICA系列无线节点，该系列产品是UCBerkeley研发，由美国CrossBow公司生产的第二代无线传感器，目前世界上有几百个研发组在利用这款产品进行着各种的研究，具体组成模块如下。

1.无线/处理器集成板

由微处理器、无线发射装置、A/D转换器和电池组成。该集成板采用的是ATMELATMEGA8位微处理器，和处理器性能紧密相关的指标是其闪存和静态存储器（SRAM）的大小，因为他们决定了网络中传感器节点数据流交互能力的强弱。无线发射装置是整个模块中最重要的组件。该装置内嵌于MPR板内。由无线电收发器、天线和一些用来配置诸如信号强度和灵敏度的散件组成，在室内的传输距离为30～50米，室外传输距离为100～200米，为了增加数据传输距离，也可以在MPR板上增置外接天线。这个工作很容易完成。如何使无线发射装置做到实时通信，是运行于MICA上的软件所需解决的一个技术难点。MPR板具有多传感器接口，皆因其具有一个可与MTS相连的51针的扩展插槽。MPR板接口包括一个8通道、10位的A/D转换器，一个串行UART口，一个12C串口。因此无论是连接模拟信号输入传感器的MTS板，还是连接数字输入传感器的MTS板均可与MPR板相连。处理器、无线发射装置再加上一个典型的传感器的电耗大约是100mW。如何在软件中实现使整个系统尽可能快地完成工作，然后进入休眠状态，以最大限度地减少节点和整个系统的能耗，是当前的一个研究热点。

2.传感器集成板

该板较易设计和配置，唯一的要求是使用15针扩展插槽和三个硬件接口之一（模拟接口、UART数字接口与12C数字接口）。笔者采用的MTS板上共接有六种类型的传感器，包括：光、声、温度、加速度、磁和发声（蜂鸣）传感器等，未来的趋势是开发集成有更多传感器的MTS板。

3.微机接口板

该模块不能单独运行，通常是将其与MPR板连接构成基站，接收来自无线传感器节点的数。通过一根25针或9针的数据线与计算机的并口或串口相连，将网络数据传送到计算机中进行进一步的分析和处理，通过无线通信方式将开发的各种应用程序载到网络中的各节点对节点进行配置和发布各种命令。

4.基于MEMS技术的加速度传感器

近年来，随着微电子机械加工技术的发展，很多公司都研制出了基于MEMS技术的加速度传感器，集成在MTS板上的加速度传感器ADXL202，是由美国模拟器件公司生产的集成式加速度传感器，它是将敏感器件与集成电路集成在同一芯片上的新一代加速度传感器，是一种基于多晶硅表面微加工技术的加速度电容传感器，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转换或附加其他电路。(www.xing528.com)

5.无线传感器节点工作组合框图

进行数据处理和无线传输的MPR板和集成有不同类型传感器的MTS板通过51针的扩展插槽连接组成一个无线传感器节点，微机接口板和MPR板通过51针扩展插槽连接组成基站，基站和计算机之间通过串口数据线进行数据的传输，基站和各无线节点之间则是通过微波进行数据传输。

（二）无线传感器软件系统构成

1.TinyOS微线程操作系统

该系统主要由UCBerkeley的JasonHill研制开发。主要功能是嵌入在无线传感器节点中，进行网络、能量和传感器的管理，而且正成为一种应用开发和硬件扩展的标准方法。其代码是完全开放和共享的，即用户利用已有的资源开发自己的应用，之后再将自己的成果公开，供他人使用，这也是笔者选择该种类型无线节点的主要原因。

TinyOS系统主要由以下几个模块构成：①无线信息收发模块；②低能耗操作模块；③传感器管理及信号处理模块。

TinyOS系统的主要特点：①低功耗；②自配置；③实时的无线通信；④健壮性和可靠性；⑤设计和应用的多样性。

2.TingDB

TingDB是一个微型数据库引擎，用于从传感器网络中的无线节点中提取各种信息并进行存储。与TinyOS不同，使用TingDB不需为每个节点编制用嵌入式语言开发的代码，可以使用Berkeley提供的应用程序对每个节点进行设置。操作系统和硬件设定运行正常后，即可启动TingDB提供的图形用户界面，在该界面是由JAVA语言开发的，很好地利用了JAVA语言的面向对象和跨平台特性。利用TingDB可以任意选择操作网络中的传感器、设定每个传感器的采样频率、对采集数据进行滤波预处理并将结果数据存入数据库。