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摘要：本文通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备，其组成的网络系统性能稳定、通信效率高、功耗低，可以广泛应用于控制、信号采集与传输等领域。
关键词：无线传感器网络、节点设计、通信网络技术
中图分类号：F626 文献标识码：A 文章编号
Abstract: this paper summarizes the wireless sensor network hardware node of the design principle, put forward a kind of wireless sensor network general node the basic framework of the equipment, design realized based on low power consumption processor Atmega128L and rf chip CC2420 of wireless sensor network node equipment, its network of system has stable performance, communication with high efficiency, low power consumption, and can be widely used in control, signal acquisition and transmission, and other fields.
Keywords: wireless sensor network, node design, communication network technology
1 引言
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。
本文就是面向具体的应用，以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标，研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。
通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。该设备具有能量自检测功能，并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。采用模块化软件设计，引入有限状态机进行系统模式调度，设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。
2 无线传感器网络硬件结构及通信
2.1 传感器网络硬件结构
无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink）。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如Internet网络或卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。
图1 无线传感器网络通信体系结构图
无线传感器网络节点一般由4个部分组成：传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块，如图2所示。其中，传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。
图2 传感器节点的体系结构
2.2 无线传感器网络通信
2.2.1 数据采集
最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。由于传感器节点离观察点很近，故对传感器的精度要求并不高，降低了成本。高的空间分辨率可以通過布置密集的传感器节点来达到。而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。
2.2.2 传感数据到Internet
我们可以将来自传感器节点的数据传输到Internet上，这些数据可能是原始的，或者被过滤过，或者被处理过。建立到每个传感器节点的直接的广域网的连接是不可行的，因为设备代价太昂贵，它需要消耗传感器节点大量的能量，设备安装也容易对环境带来一些很大的干扰。因此在我们的传感器网络的系统结构中，到广域网的连接功能由基站完成，我们为基站设备提供足够的能量和存储空间。基站可以使用无线局域网与布置了传感器的小块领域通信（通过silk节点）。为了向终端用户提供数据，基站提供WAN连接，并且为传感器区域集合提供了永久性数据存储。
3 节点系统设计
3.1 节点系统结构
节点硬件采取模块化结构设计如图3所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信，并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD 液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。
图3 节点系统接口
（1）微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器[9]，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM；
（2）数据存储电路选用512KB串行FLASH AT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。
（3）无线通信模块采用无线射频CC2420[11-12]模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。
（4）电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或者可充电的锂离子电池工作。电源管理芯片采用AD公司的ADP3338—3.3, SOT一223封装。
（5）充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计，具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息，并需外接一个约4.7 的上拉电阻。
（6）节点外部接口包括JTAGE接口、ISP编程接口、RS232接口、充电接口、传感器接口、SMA天线座接口等。节点使用JTAGE、ISP多种方法下载程序；使用RS232接口直接与PC机串口连接； 可根据不同需求经传感器接口挂接不同的传感器模块；在有充电条件的情况下， 可通过充电接口迅速为节点补充能量。
3.2 节点设计要点
射频部分是本设计的重点与难点，也是系统设计成功的关键。在模块设计过程中遇到的主要问题及解决方法有：
CC2420的载波频率是2.4GHz，每5MHz增加一个频道，而晶振的精确度将影响载波的频率，从而影响通信的建立和稳定性。CC2420要求时钟源的精度在40ppm以内。如果使用外部晶振应尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴片晶振。
CC2420射频电路工作在2.400GHz～2.4835GHz高频率工作频段，抗干扰设计直接关系到射频性能和整个传感器节点的运转情况。在射频部分布线时，合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。
对于无线通信网络来说，天线起着举足轻重的作用，天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片CC2420可以使用金属倒F型PCB引线天线和单极天线两种设计方案。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波，接收信息。PCB天线的形状、尺寸应严格按照数据手册设计。
4 结论
本文阐述了传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L、射频芯片CC2420和温度传感器DS18B20的一种具有实用价值的低功耗通用节点硬件平台。
本设计是在归纳国内外无线传感器网络研究成果的基础上，设计的低功耗、低成本、实用型无线传感器网络节点。节点采用了独立可选的充电模块、LCD状态显示模块和丰富的对外接口，具有较强的实用性，可在多种环境中工作，按多种需要进行配置完成系统功能，并且在成本、功耗、灵活性等方面具有较明显的优势。
参考文献
[1] 李建中，李金宝，石胜飞．传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J]．软件学报，2003,14(10)：1717-1727.
[2] 贺文.基于ZIGBEE的无线传感器网络[D].浙江：浙江大学，2005.
[3] 吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M]，北京：机械工业出版社，1995
[4] 张海玉，贾润亮.无线传感器网络研究[N].科技情报开发与经济，2006-01-19
[5] 马潮.高档8位单片机ATmega128L原理与开发应用指南[M].北京：北京航空航天大
学出版社，2004.
[6] Intanagonwiwat C，Govindan R，Estrin D，et a1．Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2003,11(1):2-15．
[7] D．Niculescu．Communication Paradigms for Sensor Network [J]．IEEE communication Magazine,2005 ,PP:116-12.
[8] 代忠，樊晓光，万明，周灼荣.基于射频芯片CC2420的ZigBee無线通信节点设计[EB/OL].
作者简介：
符智杰，男，1973年9月出生，主要从事自动控制设计及服务工作。
莫庆龙，男，1984年2月出生，主要从事自动控制设计及服务工作。
关键词：无线传感器网络、节点设计、通信网络技术
中图分类号：F626 文献标识码：A 文章编号
Abstract: this paper summarizes the wireless sensor network hardware node of the design principle, put forward a kind of wireless sensor network general node the basic framework of the equipment, design realized based on low power consumption processor Atmega128L and rf chip CC2420 of wireless sensor network node equipment, its network of system has stable performance, communication with high efficiency, low power consumption, and can be widely used in control, signal acquisition and transmission, and other fields.
Keywords: wireless sensor network, node design, communication network technology
1 引言
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。
本文就是面向具体的应用，以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标，研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。
通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。该设备具有能量自检测功能，并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。采用模块化软件设计，引入有限状态机进行系统模式调度，设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。
2 无线传感器网络硬件结构及通信
2.1 传感器网络硬件结构
无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink）。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如Internet网络或卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。
图1 无线传感器网络通信体系结构图
无线传感器网络节点一般由4个部分组成：传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块，如图2所示。其中，传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。
图2 传感器节点的体系结构
2.2 无线传感器网络通信
2.2.1 数据采集
最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。由于传感器节点离观察点很近，故对传感器的精度要求并不高，降低了成本。高的空间分辨率可以通過布置密集的传感器节点来达到。而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。
2.2.2 传感数据到Internet
我们可以将来自传感器节点的数据传输到Internet上，这些数据可能是原始的，或者被过滤过，或者被处理过。建立到每个传感器节点的直接的广域网的连接是不可行的，因为设备代价太昂贵，它需要消耗传感器节点大量的能量，设备安装也容易对环境带来一些很大的干扰。因此在我们的传感器网络的系统结构中，到广域网的连接功能由基站完成，我们为基站设备提供足够的能量和存储空间。基站可以使用无线局域网与布置了传感器的小块领域通信（通过silk节点）。为了向终端用户提供数据，基站提供WAN连接，并且为传感器区域集合提供了永久性数据存储。
3 节点系统设计
3.1 节点系统结构
节点硬件采取模块化结构设计如图3所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信，并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD 液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。
图3 节点系统接口
（1）微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器[9]，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM；
（2）数据存储电路选用512KB串行FLASH AT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。
（3）无线通信模块采用无线射频CC2420[11-12]模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。
（4）电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或者可充电的锂离子电池工作。电源管理芯片采用AD公司的ADP3338—3.3, SOT一223封装。
（5）充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计，具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息，并需外接一个约4.7 的上拉电阻。
（6）节点外部接口包括JTAGE接口、ISP编程接口、RS232接口、充电接口、传感器接口、SMA天线座接口等。节点使用JTAGE、ISP多种方法下载程序；使用RS232接口直接与PC机串口连接； 可根据不同需求经传感器接口挂接不同的传感器模块；在有充电条件的情况下， 可通过充电接口迅速为节点补充能量。
3.2 节点设计要点
射频部分是本设计的重点与难点，也是系统设计成功的关键。在模块设计过程中遇到的主要问题及解决方法有：
CC2420的载波频率是2.4GHz，每5MHz增加一个频道，而晶振的精确度将影响载波的频率，从而影响通信的建立和稳定性。CC2420要求时钟源的精度在40ppm以内。如果使用外部晶振应尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴片晶振。
CC2420射频电路工作在2.400GHz～2.4835GHz高频率工作频段，抗干扰设计直接关系到射频性能和整个传感器节点的运转情况。在射频部分布线时，合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。
对于无线通信网络来说，天线起着举足轻重的作用，天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片CC2420可以使用金属倒F型PCB引线天线和单极天线两种设计方案。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波，接收信息。PCB天线的形状、尺寸应严格按照数据手册设计。
4 结论
本文阐述了传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L、射频芯片CC2420和温度传感器DS18B20的一种具有实用价值的低功耗通用节点硬件平台。
本设计是在归纳国内外无线传感器网络研究成果的基础上，设计的低功耗、低成本、实用型无线传感器网络节点。节点采用了独立可选的充电模块、LCD状态显示模块和丰富的对外接口，具有较强的实用性，可在多种环境中工作，按多种需要进行配置完成系统功能，并且在成本、功耗、灵活性等方面具有较明显的优势。
参考文献
[1] 李建中，李金宝，石胜飞．传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J]．软件学报，2003,14(10)：1717-1727.
[2] 贺文.基于ZIGBEE的无线传感器网络[D].浙江：浙江大学，2005.
[3] 吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M]，北京：机械工业出版社，1995
[4] 张海玉，贾润亮.无线传感器网络研究[N].科技情报开发与经济，2006-01-19
[5] 马潮.高档8位单片机ATmega128L原理与开发应用指南[M].北京：北京航空航天大
学出版社，2004.
[6] Intanagonwiwat C，Govindan R，Estrin D，et a1．Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2003,11(1):2-15．
[7] D．Niculescu．Communication Paradigms for Sensor Network [J]．IEEE communication Magazine,2005 ,PP:116-12.
[8] 代忠，樊晓光，万明，周灼荣.基于射频芯片CC2420的ZigBee無线通信节点设计[EB/OL].
作者简介：
符智杰，男，1973年9月出生，主要从事自动控制设计及服务工作。
莫庆龙，男，1984年2月出生，主要从事自动控制设计及服务工作。