无线网络传感器基本结构-物联网与传感器技术

无线网络传感器通常由电源模块、传感器模块、执行器模块、微处理器与存储模块和无线通信模块等5部分构成。

1.电源模块

能量问题是传感器网络节点面临的一个主要约束。目前面世的智能节点依靠电池只能连续运行几小时至十几小时。理论上，能量供应问题可以从两个不同方面来解决：第一种方法是在每个节点上安装能量源，如采用高能量的电池作为能量源。由于燃料电池能提供高密度的清洁能源，因此可以考虑将燃料电池应用在网络节点上，但以目前的硬件条件还无法在传感器网络节点中应用。第二种方法是从环境中采集能量。除了被广泛地应用于各种移动环境中的太阳电池外，电磁能、声波能、地震波能、风能发电等其他能量方式也可用于电能转换。

2.传感器模块

换能器是无线网络传感器的前端组件，可以将一种形式的能量转换成另一种形式的能量。换能器的设计是网络体系结构中的一个重要问题。此外，传感器具有4个其他的组件：模拟组件、AJD、数字组件和微控制器。仅包含转换器的结构是最简单的，但当前技术趋势是在传感器网络节点中加入更多智能组件，同时重要的处理和计算能力也已经加入到网络节点中。

对于传感器网络，选择传感器的类型和数量，并确定传感器位置是十分重要的。由于不同传感器具有不同特性（包括解决方案、花费、准确度、尺寸和能耗），所以传感器的选择也是一个难题。另外，还需要保证多种传感器的正常运行，融合来自不同传感器的数据。如采用声波传感器测量距离时，声音传输速度很大程度上取决于温度和湿度，因此，考虑这两个因素才能提高距离和测量的准确度。与传感器相关的其他几个设计任务包括容错性、错误控制、校准和时序同步。

3.执行器模块

执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。工作电流与晶振频率成严格的线性关系，空闲、掉电模式的电流也有类似的线性关系。因此，尽可能地降低晶振频率能够有效地降低整机电流。但是，降低晶振频率往往会受到系统运行速度的制约，需要综合考虑各部分的工作速度和整机信息运算的速度，选择一个合适的最小晶振频率。

4.微处理器与存储模块

微处理器模块是无线传感器节点的计算核心，它包含采样调理、数据处理、数据存储、通信接口和电源等几部分。

若能提供相应接口与RF模块进行数据交换，负责链路管理与控制、执行基带通信协议和相关的处理（包括链接建立、频率选择、链路类型支持和媒体访问控制等），则在微处理器不完全具备智能传感器需求时，在节点中微处理器与控制器做出的选择，必然会放弃一些无线智能网络传感器的部分理想功能。所有的控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议、数据整合和数据存储都在微控制器模块支持下完成，所以对微处理器的选择在设计中是至关重要的。

存储方面是根据传感器网络的结构、各节点存储的快速性、易失性需求来确定的。大部分运算对节点存储空间有很高要求，而节点存储器设计主要是依据无线网络传感器的应用需求而定的。由于闪速存储器在造价和存储能力方面优异，它是节点数据存储的首选。但由于在同一物理位置的可重复读写次数较少，闪速存储器应用受到了一定限制。在无线网络传感器中应用非易失性存储器还面临两个问题：一是节约能量；二是适应较短的、仅包括几个单字节的数据处理存储能力。由于网络控制和传感器数据中很大一部分具有较低的信息熵，因此还需要采用压缩技术减少所需存储和传输的数据量。

传感器节点的功耗，除传感器本身对能量的消耗，还有一个主要消耗是处理器。另一个方法是传感器节点要支持掉电模式，这也是减小功耗的主要方法。处理器的功耗主要由工作电压、运行时钟、内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高、运行时钟越快，其功耗也越大。掉电模式还直接关系到节点的生命周期。目前，主要使用5号电池给微处理器的无线传感器节点供电，通常满负载工作只能持续十几小时或几十小时。为了让系统持续工作一年以上，系统必须在绝大多数时间内处在待机或者休眠状态，即要求微处理器必须支持休眠状态。除了降低微处理器的绝对功耗外，现代微处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。微处理器模块的设计要应遵循以下原则：(www.xing528.com)

1）选用尽量简单的微处理器内核。首先，考虑系统对处理能力的需求；其次，再考虑功耗问题。选择“够用就好”的带闪速存储器的8位或16位内核的微处理器，简单的微处理器内核功耗低，带闪速存储器的微处理器可将功耗降低至1/5，既缩小了电路板的空间，又降低了成本。

2）外围器件的合理使用。由于外围器件的使用不是很频繁，所以要选择带片选功能的外围器件，不使用时，它们进入低功耗模式。减少外围器件的使用是节点降低功耗、减小体积的积极办法，但这要视系统可行性而定，并需要软件配合。

3）选择低电压供电的系统。降低微处理器的供电电压可以有效地成比例地降低其功耗。低电压供电可以大大降低系统的工作电流，基于漏电流的考虑，选择3V供电电压要比5V供电电压的功耗下降50%。随着低电压微处理器的选择，其他部分也要选择低电压产品的型号。

4）选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感。一是系统总线频率应当尽量低。微处理器内部的总电流消耗可分为两部分运行电流和漏电流。运行电流几乎是和微处理器的时钟频率成正比的，因此尽量降低系统时钟的运行频率可以有效地降低系统功耗。二是时钟方案，也就是是否使用锁相环，使用外部晶振还是内部晶振。但片内晶振的精度不高（误差一般在25%左右，即使校准之后也可能有2%的相对误差），而且会增加系统的功耗。

5.无线通信模块

由于无线信道本身的特点，它所能提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，目前，无线网络传感器采用的传输媒体主要有电磁波、红外线、可见光等，其原因是，采用电磁波作为无线局域网的传输介质，主要是因为电磁波的覆盖范围较广，应用较广泛。使用扩频方式通信时，特别是使用直接序列扩频调制方法时，因发射功率自然的背景噪声，具有很强的抗干扰、抗噪声、抗衰落能力。这样，使通信非常安全，基本避免了通信信号的偷听和窃取，具有很高的可用性。无线局域网使用的频段主要是工业科学医疗频段（433MHz、915MHz、2.4GHz等），不会对人体造成伤害。因此，电磁波成为无线传感器网络可用的无线传输介质。

采用小于1mm波长的红外线作为传输介质，有较强的方向性，由于采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门的限制。红外信号要求视距传输，窃听困难，对邻近区域的类似系统不会产生干扰。但背景噪声高，受日光、环境照明等影响大，不过在传输速率为100Mbit/s以上时，是性价比较高的网络可行的选择。

多数传感网采用915MHzISM频段。几种无线传输方式的比较见表5-3。

表5-3 各种无线传输方式的比较

因为数据传输能量占能耗的主要部分，所以短距离无线通信组件很重要。在无线通信组件的设计和选择过程中，必须考虑各层次的问题：物理层、MAC层和网络层。降低无线通信组件的能耗和提高带宽效率是无线传感器网络研究中最主要的研究任务。无线通信组件的体系结构是网络结构体系和协议的重要组成部分，由于无线通信占了整个无线传感器网络能耗主要部分，尤其是信道的监听花费很大，因此，对无线收发系统的能耗管理非常重要，最主要的问题是平衡传输能耗和接收能耗。