无线传感器网络--无线传感网络的硬件设计

无线传感器网络的硬件设计

1. 通用无线传感器网络节点系统结构

建立任何WSN主要任务是建立传感器节点，传感器节点应使用低功耗处理器、有限带宽和传输范围的小型无线收发器。

1. 传感器节点子系统构成传感器节点子系统

   • 传感子系统：一个或多个监测物理环境的传感器和执行器
   • 计算子系统：由微控制器或带有存储器的微处理器组成（存储器用于存储传感器收集的数据）
   • 通信子系统：短程无线系统（用于无线数据通信）
   • 电源子系统：电池供电

2. 片上系统和基于组件的设计

   利用片上系统和基于组件的设计RF无线传感器节点的模块设计方法。基于片上系统（SOC）缺点是缺乏灵活性，一些特殊要求可能难以满足。基于组件设计的方法为设计师提供了全面的灵活性。

2. 设计准则

WSN硬件设计需要考虑使用寿命、覆盖范围、鲁棒、通信、时间同步、安全、成本和尺寸

1. 准则

   • 寿命：传感器节点的寿命通常取决于最初提供的电源，定期更换WSN电池是不可行的。为了最大限度地提高整个网络的使用寿命，每个电路的设计应确保最小功率。在传感器节点上提供能量捕获单元也可以增加WSN的寿命。
   • 覆盖范围：由应用需求决定，发射功率和传感器的部署由覆盖范围决定。覆盖范围大，功率消耗九大，WSN寿命也会缩短。
   • 鲁棒：某个节点出现故障。WSN能够整体保持功能
   • 通信：传感器节点应具有低通信数据率和低通信功耗
   • 时间同步：传感器节点在完成任务后保持休眠模式，并可定期按需唤醒，达到节能的目的
   • 安全性：WSN安全算法必须能够实现安全算法
   • 成本和尺寸:保证最小，节约成本

2. 选择微处理器

   微处理器是传感器节点的核心部件，负责数据的收集、处理、压缩、记录和存储。SOC微处理器在一块芯片上集成了CPU、闪存、RAM、使用模拟和数字外设SOC传感器节点的设计可以降低设计和测试的成本。

   • 性能：高性能微处理器需要更多的功耗，因此WSN理想的微处理器只需要满足应用程序的需要。
   • 操作模式：微处理器具有活动、休闲和休眠模式，每种模式对应不同的功耗。进出休眠模式的转换次数是决定传感器节点总功耗的重要因素（微处理器进出休眠模式越快，休眠模式越长，整个节点能耗越少）
   • 电压要求：通常选择2.7 - 3.3v 传统电压微处理器
   • CPU速度：由于微处理器的功耗与频率呈线性关系，CPU数据分析和节点必须完成的网络处理的工作量决定了最佳速率
   • 外围设备支持：通用数字I/O引脚、A-DC、比较器和数字接口
   • 存储器：足够大的空间
   • 支持软件开发环境
   • 成本和尺寸：通常选择集成MCU和RD由于成本低、体积小，模块芯片。

3. 通信设备选择

   通信设备由低功率无线电系统组成，包括一个RF收发器(天线)、功率放大器和数字基带。无线电系统通常是WSN优化中功率最大的部件的功耗可以显著提高整个系统的使用寿命。

   • 无线技术：通常是ZigBee、Wi-Fi和蓝牙，WSN选择基于ZigBee实现短距离、低功率、低数据吞吐量、低成本、体积小的简单无线通信系统

     

   • 传输范围：传输功率、收发器传输范围、接收器灵敏度、天线增益效率和信道编码机制都会影响无线传输范围。

   • 调制类型：RF该设备将数字信号转换为传输的模拟信号。调制机制有幅度调制（ASK）、频率调制（FSK）和相位调制（PSK）。WSN正交相位键控通常使用（QPSK），将每个信号按照90度增量进行移相

     • 调幅:以振幅变化代表0和1
     • 调频：用频率变化表示0和1
     • 调相：使用信号相位来表示二进制数据

   • 比特率：WSN不需要高比例通信，10 - 200kbit/s原始网络带宽可以满足大多数应用

4. 传感器设计

   • 传感器的分类

   传感器是一种测量物理量并将其转换为电信号的设备。从电源的角度来看，可分为无源传感器（无电源，外部刺激产生电信号，如光敏二极管）和有源传感器（需要外部电源，如热敏电阻箱）。在输出信号类型方面，可分为数字传感器（输出二进制值到微处理器）和模拟传感器（将外部变量转换为模拟信号，一般为电压值）。基于测量的内容。可分为热传感器、机械传感器、化学传感器、磁传感器、辐射传感器和电传感器。

   • 传感器的选择

     理想的传感器应具有高灵敏度、高精度和可重复性，以及低功耗和成本。WSN传感器的选择应考虑以下三个因素

     1. 环境条件：传感器节点的工作温度、压力、光、湿度和位置
     2. 设计参数：测量目的、输出信号类型、数据传输技术、微处理器、所需的信号调节技术
     3. 传感器参数：传感器包装尺寸、测量环境变化的响应时间、测量精度、转换器寿命、功率要求。

5. 电源设计

电池的寿命取决于电池的大小、电极材料的类型和电解质中活性物质的扩散速度。在选择电源时，应考虑平均电流消耗、最大电流消耗和电池成本

• 平均电流消耗：这是影响电池选择的主要因素。平均消耗电流可通过以下公式计算I_average 。其中I_i 是状态i消耗的电流，t_oni 消耗i状态下电流所需的时间，t_total 是状态周期的总长度。 在I_average 在计算了预期电池寿命内设备所需的电量之后I_average T_runtime

• 最大电流消耗：为避免电池寿命下降，电池释放的电流应低于额定电流，额定电流应作为最大电流消耗。
• 尺寸及成本：

3. 设计案例

无线温度和一氧化碳传感器用于安全监测的设计案例

1. 温度传感器设计

   • 四种常见的温度传感器比较

     1. 热电偶：最小、最快、最持久的温度测量方案可用于非常恶劣的环境。缺点：需要测量两个温度之间的关系，精度低，测量温度与热电偶输出电压之间的关系是非线性的。
     2. RTD：高精度、低漂移、工作范围广、再现性强、线性适中的优点。缺点：不能用于高温应用，对小温度变化不敏感
     3. 热敏电阻：使用陶瓷或聚合物的材料，RTD是纯金属。
     4. IC温度传感器：体积小、精度高、价格便宜、线性好的温度传感器，易于与其他设备连接

2. 一氧化碳传感器设计

   • 选择气体传感器的因素
     1. 在监测区域确定任何可能的背景气体
     2. 测量气体的浓度和范围应为实际监测浓度的3-5倍
     3. 工作环境的温度范围
     4. 确定可接受的功耗
     5. 确定响应时间
   • 气体传感器分类
     1. 电化学：通常用于检测有毒气体，通常通过电极氧化或电解液接触个或3个电极目标气体来测量其浓度。电化学反应会导致电流流过外部电路，该电流可以用外部放大电路来测量，此电流可以表示目标气体的浓度。优点：封装紧凑、鲁棒性强、没有外部电源要求，大批量生产成本低。缺点：寿命不到3年，响应时间大约是30s。
     2. 半导体：电特性的变化可以测定特定的气体。优点：尺寸小、寿命长、响应时间快和检测极低浓度气体灵敏度高。但是一般都需要一根5v的外部电源来保持工作状态。
     3. 催化式气体传感器：主要怕用于检测可燃气体。优点：可以直接测量气体。缺点：不适合用于电池驱动的传感器。
     4. 红外气体传感器：优点：寿命长、与目标气体无接触、高准确度和浓度测量可靠。缺点：高成本、高功耗

4. 电源管理

​ 电源管理是一种延长电池驱动的传感器节点寿命的方式，目的是尽可能关闭电源或将传感器系统切换到低功率状态来避免能耗和提高能效。

​ 传感器能耗分为“有用”和“浪费”，有用的能好评可以被用于环境感知、数据处理、数据的发送或接受、处理查询请求。能耗浪费可以发生在数据采集、数据处理和数据通信中。

​ 元器件的功耗由电源的电压、各个元器件的电流消耗，以及它们的运行时间共同决定的。前两项选定了电子元器件就已经确定，运行时间包括两部分：工作时间和空闲时间。（工作时间和空闲时间消耗的能量是相同的）

​ 电源管理在数据采集阶段的任务：节点在收到从微处理器发出的采集命令后打开传感器电源，在节点进入闲置状态时关闭电源。

5. 能量捕获

​ 能量捕获也是一种延长传感器寿命的方法。我们环境中存在各种各样的能量，常见的太阳能、热能、风能等，能量捕获就是为了收集这些能量并转换成电能为无线设备供电。

​ 太阳能是比较方便的可捕获能源，通过光电池转换采集，比其它方式具有较高的功率密度。光伏（Photovoltaic，PV）技术表示直接将太阳能转换成电能。上图是一个捕获太阳能的系统，主要由能量捕获单元、最大功率点跟踪和电源管理单元构成。

1. 太阳能捕获单元

   捕获太阳能的工具，如图太阳能电池版

2. 最大功率点跟踪单元(MPPT)

   ​ 该部件的主要功能是从太阳能电池板向蓄电池发送最大功率。MPPT单元由一个脉宽度调制、DC-DC转换器及MPPT外围电路组成。

   ​ 太阳能随光照强度的变化而变化，需要一个具有高功率转换效率的能量捕获接口电路将捕获的能量存储到蓄电池之前进行平滑转换，采用的DC-DC转换器类型由功率捕获强度和蓄电池电压共同决定。本次采用的是PWM DC-DC转换器，由于它不用通过二极管与太阳电池直接连接的方式向蓄电池充电，所以它可以让能量捕获持续进行（即使太阳电池的开路电压低于蓄电池的电压），并且可以避免使用二极管阻止蓄电池的反向电流流向太阳电池导致输出电压有0.7V的电压降。如图，MPPT的外围还有一个小型光伏组件和一个比较器。

3. 电源管理单元

   ​ 用于能量捕获并确保其有效使用。如图由充电控制电路和两个主、辅缓冲区构成。

   ​ 为什么需要两个缓冲区？

   ​ 首先是因为随着环境中光强度的变化，产生的电压也会随时间变化，因此能量捕获单元很难向目标系统直接供电，所以需要可充电电池这一样的高密度能量存储原件来积聚由能量捕获单元提供的可用能量。其次，可充电电池具有优先的充电周期和寿命。限制了整个系统的寿命，为了延长系统的寿命，对可充电电池的反问就要最小化，所以能量捕获设备应该在大部分之间里能直接向目标系统供电（主缓冲区就是由能量捕获单元直接充电）。