无线传感器网络节点发展

无线传感器网络节点发展

• 无线传感器网络的研究具有很强的试验科学的特点。传统的互联网研究已经具有很长

的历史，利用已有的基础化设施，为新的研究搭建大规模的物理试验床(如组播应用研究的Mbone)和虚拟网络试验环境(如P2P研究的Plant Lab)相对比较容易。但无线传感器网络是一种全新的网络技术，与传统的互联网差别较大，甚至网络体系结构都将截然不同，因此无线传感器网络研究可继承的资源也就十分有限，研制网络节点，搭建一定规模的试验床自然成了无线传感器网络研究初期的一个主要任务。到目前为止，已经出现了众多节点试验平台。根据时间先后和技术特点，我们将它大致分为五代。

第一代(1996—1999年)：代表性的平台有UCLA的WINS、UC Berkeley的Smart Dust、WeC和Rene。WINS是较早的试验平台，是DARPA 1995年资助项目“Low Power Wireless Integrated: Microsensors”的研究成果，主要是展示CIMS(CMOS Integrated Micro Systems)技术在设计微型化低功耗无线传感器构成组件时的优势，并没有特别强调无线通信及网络技术，因此最终并没有形成颇具影响力的平台。但它在无线传感器网络研究中的种子性作用不可抹杀。Smart Dust以很强的震撼力向人们展示了无线传感器网络的设计理念，使人们对无线传感器网络的未来充满了丰富的想象。Smart Dust的字面含义即智能尘埃，它意味着未来我们生活的物理空间中会悬浮着无数这样的无线传感器网络节点，帮助我们完成与物理世界的信息交互。虽然目前依旧没有真正进入工程应用，但作为概念性节点平台却声名远扬。Smart Dust是ⅥEMS技术在微型化无线传感器网络节点方面的一次有效尝试，节点最终的物理尺寸只有近8 mm，节点间利用光进行通信，具有一定的处理能力。虽然还小不到像尘埃一样能悬浮空中，但至少证明了MEMS技术在微型化设备方面的潜力，这是无线传感器网络研究非常重要的一个领域。从信息科学的角度看，无线传感器网络将孕育出一种新的分布式计算模式，自然将面临新的技术挑战。为方便开展信息领域的研究，D．Culler领导的研究小组设计了称为WeC和Rene的节点试验平台，它

们是UCB Mote系列的雏形。其主要的差别在于后者有较灵活的扩展性，用户可以通过较丰富的数／模通道和总线支持不同种类的传感器；而前者是一个相对独立的系统，仅集成了温度、光强度等有限的传感器电路，扩展能力有限，且不支持通用标准接口。

第二代(2000—2001年)：这一时期无线传感器网络的研究开始受到越来越多研究者的关注。于是，相继出现了多种试验平台，典型的有UCB的Mica与Dot，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II，以及Rockwell公司的HYDRA。它们为无线传感器网络研究提供了通用的试验平台，被用在不同机构资助的研究项目进行原理性验证和算法测试评估。Mica和Dot分别是WeC和Rene的升级，与后者比，Mica和Dot提供了更丰富的传感器接口和内存资源，以及灵活的射频无线接口，用户可以通过设计调度策略休眠或唤醒射频电路来节省功耗，Mica被成功地用在Sensor Webs项目中，原理性地演示了无人机播撒无线传感器网络节点进行目标跟踪的新军事侦察模式的可行性。如果说UCB的Mote系列是利用成熟的商用器件(COST，Commercial Off The Shelf)构建试验节点，那么MIT的uAMPS-I也是COST设计，特点是采用了支持分级电压的处理器和自适应调节发送功率的技术来节省能耗。Rockwell公司的HYDRA是一个商用节点平台，体积稍大。著名Sensor IT项目用它概念性地实现并演示了美国五角大楼所期望的“超视距”战场监测应用。

第三代(2002—2003年)：随着研究的深入，人们认识到对于特殊环境中自组织无线传感器网络的应用，降低能耗，尽可能延长网络生命周期是一个非常关键的问题。于是，研究者开始从各个角度出发寻找减小系统能耗的方案，节点设计自然也不例外。其间产生了两款代表性的试验平台：Mica2（如图3）和MicaDot2，以及NASA JPL实验室的Sensor Web。Sensor Web最初被定位于进行火星的长时间观测，在可再生能源技术不成熟的条件下，面对这样的应用，设计者们只能竭力寻找低功耗的节点设计方案。目前，Sensor Web

已被应用在多个项目中进行实际测试。Mica2和MicaDot2属于UCB的Mote系列，它修正Mica的一些技术缺陷，如Mica的通信距离太短，而且容易受噪声干扰，不可靠，I/O接口也不稳定。当然，低功耗也是Mica2优化的目标之一。为此，Mica2选配了新的微处理器和射频芯片，原来的ATmega 163被ATmega 128替代，而射频芯片TRl000被同出于Chipcon公司的CCl000取代。虽然Mica2依旧存在不少缺陷，如唤醒时间过长等，但它基本上已成为目前无线传感器网络研究的主流试验平台。该领域权威性的学术会议SenSys 2004年收录了21篇论文，其中有16篇是在Mica2上完成试验和评估的。

第四代(2004年初-2004年底)：Chipcon率先发布了支持ZigBee的射频芯片，这成为无线传感器网络节点研发的又一个分水岭。随后的研究开始重点关注新无线通信技术与标准在无线传感器网络节点设计中的应用。到目前为止，已经相继出现了一系列第四代节点，典型的有MicaZ、Telos、EmberNode、Imote、Imote2、BTNode3和DSYS25。MicaZ是Crossbow公司用支持ZigBee的CC2420直接替代Mica2的CCl000而成。Telos是UCB Mote系列的第四代节点，设计上的改进很大，除了支持ZigBee，Telos还采用了IJSB接口，省去了对开发板的依赖，方便开发和使用。通过选用新的微处理器(TI公司MSP430)减小了休眠工作电流和系统唤醒时间，能耗显著降低，Telos的功耗大约是Mica2的十分之一。研究数据表明：节点组网进行时间同步试验，用2节5号电池供电，每3分钟进行一次同步，Mica2、MicaZ和Telos的工作时间将分别是543天、328天和945天。Ember Node是在Ember公司推出的支持ZigBee的商用硬件和软件平台上开发的无线传感器网络节点。Imote和Imote2是Intel公司研制的无线传感器网络试验节点。在Imote中仅支持蓝牙，到了Imote2则开始了对于ZigBee的支持。Imote完全采用Intel的微处理器，如ARM和XScale，并配备了一定的协处理器来管理系统能耗。

第五代（2005年初-至今）：Sun公司推出了一种新型的无线传感网络设备Sun SPOT（Small Programmable Object Technology），它采用了32位的高效能处理器ARM

920T、支援ZigBee的CC2420无线通讯芯片和创新的Squawk Java虚拟机。它为全世界营造了一个能够迎合未来小型传感设备实践和开发的软件和硬件研究平台，它还为学校在教学科研等诸多方面提供了很宽广的教学平台和研发契机。采用Sun SPOT，用户可以利用Java语言很方便的搭建出复杂的无线传感网络，并且还有大量的API将底层硬件抽象出来，可以很方便的对硬件进行控制。同时，它采用锂电池供电，最大休眠时间可长达909天。Crossbow公司也推出了新一代的无线传感节电设备Iris，它具有最长可达500米的超远距离通信功能和双倍于Mica系列产品的存储空间。