低功耗无线传感器网络系统实现

随着近年来各种传感器相关核心技术的日益成熟（包括微机械、数字模拟集成电路工艺、无线通信以及高密度电池等），无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)[1]逐渐成为研究的热点并得到了广泛应用。传感器网络的主要任务是对分布在传感区域的环境参数进行采集、处理并传输至用户终端。本文所介绍的低功耗传感器网络系统在有效完成以上任务的基础上，还具有低功耗、低复杂度、高可靠性以及极强的扩展能力等特点，能够满足农业、环境、建筑等行业的大部分应用需求。
　该传感器网络系统由传感采集节点、网关节点以及远程用户终端组成，如图1所示。

　其中，传感采集节点负责环境数据的采集和处理，并将数据传输至相应的网关节点。网络中的传感采集节点只能直接与其一跳范围之内的网关节点通信，并与相应的网关节点一起组成一个子网。
　网关节点作为该子网的对外接口，负责收集其子网内所有传感采集节点的信息。整个网络中允许存在一个或多个网关及相应的子网。不同的子网采用不同频率进行通信，以相互区别并防止数据传输冲突。网关节点与远程用户终端可采用无线或有线的主干网络连接，可选择的方案包括无线IP网桥、有线以太网、移动网络等。网关节点与远程用户终端间的连接方案并不在本文的主要研究范畴之内，但本文给出了采用无线IP网桥的实现方法以供参考。
　由于在大多数传感器网络应用中，传感采集节点数目众多、体积受限且分布在不易接触的工作环境中，而网关节点则数量相对较少且可以安放在更灵活的位置，因此，在系统设计中假定传感采集节点由普通小容量电池供电，而网关节点则可由交流电源或者大容量锂电池或蓄电池供电。在此条件下，网络的使用寿命主要由传感采集节点的功耗决定，即系统的低功耗主要体现在传感采集节点的低能耗上。
　本设计从硬件设计以及网络协议两方面对传感节点的能耗进行了优化，从而保证传感采集节点在系统运作中的低功耗。在硬件设计方面，系统以TI公司低功耗射频单片机CC1110为核心；而网络协议则采用了自主研发的低功耗Sensor-Push传感器网络协议。
1 传感采集节点及网关节点的硬件设计
　系统中的传感采集节点由核心电路板、电池以及传感器三部分组成，其实物如图2所示。核心电路板基于TI的低功耗射频单片机CC1110，它包括射频阻抗匹配电路、锂电池接口、外接电源接口、充电电路、线性电压转换电路、传感器接口、传感器电源控制电路、地址设定输入、节点状态指示等功能模块，如图3所示。其中，射频阻抗匹配电路完成CC1110输出至50 Ω天线的阻抗转换；锂电池接口连接锂电池，用于提供整个传感采集节点的电源；外接电源接口连接外部直流电源输出，通过充电电路对锂电池实施充电；线性电压转换电路将锂电池电压转为系统所需工作电压；传感器接口连接外部传感器，对环境数据进行采集；传感器电源控制电路用于在空闲时期切断传感器电源供应以节省能源；地址设定通过不同的外部电阻组合配置节点地址；节点状态指示用于标识当前节点状态，包括连接状态及系统错误等。