1、第4章 无线传感器网络感知节点技术4.1 感知节点技术的基本概况感知节点技术的基本概况4.1.1 感知节点技术的发展情况感知节点技术的发展情况 感知的原始含义是指人类用心念来诠释自己器官所接收的信号，通过感官获得关于物体的有意义的印象。因为人体每一个器官(包括感觉、生殖与内脏的器官)都是外在世界信号的“接收器”，只要是它范围内的信号，经过某种刺激，相应的器官就能将其接收并转换成为感觉信号，再经由自身的神经网路传输到“头脑”中进行情感格式化处理，从而产生了人类所谓的感知。而人类在科技发展进步中不断地利用机器实现智能感知代替人类的身体感知，因而出现了机器感知技术。第4章 无线传感器网络感知节点技术
2、 机器感知技术是研究如何用机器或计算机模拟、延伸和扩展人的感知或认知能力的技术，包括机器视觉、机器听觉、机器触觉等。比如，计算机视觉、模式(包括文字、图像、声音等)识别、自然语言理解就是机器感知或机器认知方面高智能水平的计算机应用。而感知节点技术是一种简化的机器感知技术，是无线传感器网络的技术基础，包括了用于对物质世界进行感知识别的电子标签、新型传感器、智能化传感网节点技术等。感知节点技术的发展受制于电子元器件、集成电路等硬件技术，也受制于软件、操作系统等软科技。第4章 无线传感器网络感知节点技术 那么，感知节点技术的发展情况怎样呢？根据1965年戈登摩尔的预言(被称为摩尔定律)，集成电路上可
3、容纳的晶体管数量约每隔18个月增加1倍，性能也提升1倍。之后的个人计算机的发展证实了这一定律，并且发展速度还在加快。从芯片制造工艺来看，在继1965年推出10 m处理器后，芯片制造经历了6m、3 m、1 m、0.5 m、0.35 m、0.25 m、0.18 m、0.13 m、0.09 m、0.065 m、0.045 m和0.022 m等多个阶段。0.022 m的制造工艺是目前市场上所能见到的CPU制造的最高工艺，目前，Intel公司已经完成0.022 m处理器的设计，正在尝试0.008 m处理器的设计。第4章 无线传感器网络感知节点技术 但是，传感器节点的性能并没有达到摩尔定律给出的发展速度。
4、1999年，WeC传感器节点采用8位4 MHz主频的处理器，2002年Mica节点采用8位7.37 MHz的处理器，2004年Telos节点采用16位4 MHz的处理器，Telos节点仍然是目前最广泛采用的传感器节点。感知节点性能的提升十分缓慢。首先，最重要的原因是技术发展的不均衡。第一个就是传感失谐，目前很多应用的制约来自于感知元件，在线感知和离线感知有巨大的不同。例如，对于水质量的监控，如果将水取样拿到实验室，那么可以进行人工辅助质量分析，人们也可以承受每台设备几十万元的成本。但是，如果将其放在一个节点上，复杂度、成本和测量精度之间就存在着无法解决的矛盾；其次是功耗的第4章 无线传感器网络
5、感知节点技术制约，无线传感节点一般被部署在野外，不能有线供电，因此其硬件设计必须以节能为重要设计目标。例如，在正常工作模式下，WeC节点的处理器的功率为15 mW，Mica节点的处理器的功率为8mW，Telos节点的处理器的功率为3 mW；再次，还有价格和体积的制约，无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能，因此其硬件设计必须以廉价为重要设计目标；最后，从应用方式来看，无线传感节点需要容易携带、易于部署，因此其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。传感器节点的发展曲线如图4-1所示。第4章 无线传感器网络感知节点技术 图4-1 传感器节点的发展曲线第4章 无线传感器网络感知节点技术 在无线
6、传感器网络中，要求感知节点具有的最重要的能力是智能化，将此类感知节点也称为智能化传感网络节点。智能化传感网络节点是指一个微型化的嵌入式系统，是传感器的智能化。图4-2所示为智能化传感网络节点的基本结构框图。图4-2 智能化传感网络节点的基本结构框图第4章 无线传感器网络感知节点技术 在感知物质世界及其变化的过程中，需要检测的对象很多，例如温度、压力、湿度、应变等。因此，需要微型化、低功耗的传感网络节点来构成传感网的基础层支持平台；还需要针对低功耗传感网络节点设备的低成本、低功耗、微型化、高可靠性等要求，研制低速、中高速传感网络节点核心芯片，以及集射频、基带、协议、处理于一体的具备通信、处理、组
7、网和感知能力的低功耗片上系统；同时，也需要针对物联网的行业应用研制系列节点产品。而这就需要采用MEMS 加工技术设计符合物联网要求的微型传感器，使之可识别、配接多种敏感元件，并适用于各种检测方法。另外，传感网络节点还应具有强抗干扰能力，以适应恶劣工作环境第4章 无线传感器网络感知节点技术的需求。更重要的研究方向是如何利用传感网络节点具有的局域信号处理功能在传感网络节点附近完成一定的信号处理，使原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统变为一种并行的分布式信息处理系统。同时，还需要开发基于专用操作系统的节点级系统软件。4.1.2 感知节点设计的基本原则感知节点设计的基本原则 由上一节可知，影
8、响感知节点技术水平的因素较多，归纳起来主要有硬件平台和软件程序两大类。因此，在设计感知节点的硬件平台和软件程序时应考虑以下四个方面：1低成本与微型化 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使第4章 无线传感器网络感知节点技术部署更加容易。低成本与微型化是实现传感器网络大规模部署的前提。通常，一个传感系统的成本是有预算的。在给定预算的前提下，部署更多的节点、采集更多的数据能大大提高系统的整体性能。因此，降低单个节点的成本十分重要。节点的大小对系统的部署也会产生极大的影响。就目标跟踪系统(如VigiNet)而言，微型化的节点能以更高的密度部署，从而提高跟踪的精度；就医疗监控(如Mercur
9、y)而言，微型化的节点更容易使用。此外，不仅节点的硬件平台设计需要满足微型化的要求，节点的软件设计也需要满足微型化的要求。节点的成本和体积往往会对节点的性能产生限制。拥有2 GB内存和320GB第4章 无线传感器网络感知节点技术硬盘大小的个人计算机已十分常见，而TelosB节点的内存大小只有4 KB，程序存储的空间只有10 KB。因此，节点程序的设计必须节约计算资源，避免超出节点的硬件能力。2低功耗 由于环境条件的限制，传感器节点大多采用普通电池供电，只有一小部分采用太阳能等可持续能源供电。而通常，人们希望整个网络系统能工作一年或更长时间，这就需要在硬件和软件设计中考虑使用低功耗技术。低功耗是
10、实现传感器网络长时间部署的前提。现有的节点在硬件设计上一般采用低功耗的芯片，即使在正常工作状态下，其功耗也比普通计算芯片小得多。例如，第4章 无线传感器网络感知节点技术TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为3mW，而一般的计算机的功率为200300W。其次，节点采用的微处理器芯片以及通信芯片都具备多种低功耗模式。例如，TelosB节点使用的微处理器芯片有多达五种低功耗模式，在一般的睡眠模式下它的功耗仅为225W，而在深度睡眠模式下它的功耗仅为7.8 W。有了硬件的低功耗模式，还需要搭配软件节能策略来实现节能。软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式，仅在
11、需要工作的时候进入正常状态。除了单个节点要进行节能外，整个网络也需要均衡不同节点间的能量消耗，以保证系统的整体生命周期足够长。一方面，第4章 无线传感器网络感知节点技术对于无线传感器网络而言，由通信产生的能量消耗占据了主导地位，即便为传感器节点设置再多的低功耗模式，如果不能配合一个高效的通信调度机制，也会出现节点发送的数据大量碰撞、网络极度拥塞的现象，整个传感器网络会被大量的重复数据占用信道；另一方面，如果节点多数都不进入睡眠模式，那么会出现数据发送方长时间无法找到能够接收数据的节点的现象，这会造成大量的传输机空置，节点等待的时间远远超出数据传输有效的时间，也会造成网络节点能耗效率低下。因此，
12、睡眠模式下的MAC协议调度显得尤为重要。第4章 无线传感器网络感知节点技术 3灵活性与扩展性 传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须具有灵活性和扩展性。此外，灵活性与扩展性也是实现传感器网络大规模部署的重要保障。节点的硬件设计需满足一定的标准接口，如统一节点和传感器的接口有利于给节点安装上不同功能的传感器。同样，软件的设计最好是可剪裁的，即能够根据不同应用的需求安装不同功能的软件模块。同时，软件的设计还必须考虑系统在时间上的可扩展性。例如，传感网络能够不断地添加新的节点，且这一过程不能影响网络已有的性能(Self Scalable)。又如，节点软件能够通过网络自动更新程
13、序(Remote Reprogramming)，而不需要每次把部署的节点收回、烧录，再重新部署。第4章 无线传感器网络感知节点技术 4鲁棒性 传感器节点一般不经常与人进行交互，即使是穿戴在人身上的传感器，人们一般也不经常对其进行控制，因此无人看守通常是传感器节点与普通计算机的最大区别。鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障。对于普通的计算机而言，一旦系统崩溃了，人们可以采用重启的方法恢复系统，而传感器节点则不行。因此，节点程序的设计必须满足鲁棒性的要求，以保证节点能进行长时间正常工作。例如，在硬件设计上可以在价格允许的前提下，采用多型传感器，即使一种传感器坏了，也能使用另一种传感器进行工作
14、。就整个网络而言，可以适当增加冗余性，从而增加整个系统的鲁棒第4章 无线传感器网络感知节点技术性。在软件设计上，通常需要对功能进行模块化，并在系统部署前对各个功能模块进行完全的测试。同时，在实际部署过程中，需要节点在没有人工干预的情况下仍然能够实现自动诊断和网络管理功能，这就给无线传感器节点的设计提出了更高的要求。一方面，感知节点软硬件设计的发展使得节点的价格更加低廉，因此节点的部署可以更加泛在。另一方面，感知节点的计算能力更强，如Imote2节点，因此节点更加智能。同时，节点的OS也朝着方便人使用的方向发展，例如Contiki OS、SOS等增加了对动态加载的支持，使得模块可以动态组合；Ma
15、ntis OS等增第4章 无线传感器网络感知节点技术加了多线程支持，使得节点编程更加容易。智能性、泛在性使得节点的异构互联变得尤其重要，已有的标准包括IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN、蓝牙、WiFi等。物联网又会给传感器带来怎样的发展契机呢？可以认为，物联网将拓展无线传感器网络的应用模式，实现更透彻的感知、更深入的智能化，实现物物相连。因此，传感器节点的发展将会更加泛在和异构：一方面，传感器将朝着低价格、微体积的方向发展，将应用到更多的场景中；另一方面，传感器节点将变得更加可靠，管理也变得越来越方便，自我诊断和修复的能力将获得极大提升。第4章 无线传感器网络感知节点技术
16、4.2 感知节点硬件技术感知节点硬件技术4.2.1 电源技术电源技术 感知节点要适应野外部署，且满足低功耗、长寿命的功能要求，因此选择合适的电源是至关重要的。针对固定节点，如果周边有市电，那么可以通过变压器等装置供电；如果周边没有市电，那么可以采用便携电源供电，如太阳能、风能、干电池、锂电池等。针对移动节点，只能采用便携电源为其供电，而且需要将它与传感器、信号处理等部分组装一起，这要求电源体积小、便携，此时诸如干电池、锂电池等才能满足要求。第4章 无线传感器网络感知节点技术 1太阳能电源 太阳能电源发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。光热电转换方式利用太阳辐射产生的
17、热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程，后一个过程是热电转换过程，转换过程与普通的火力发电一样。光电直接转换方式的太阳能电源是根据特定材料的光电性质制成的，这种转换方式的电源也称为太阳能电池，其原理是利用半导体的光生伏特效应或者光化学效应直接把光能转化成电能，如图4-3所示。第4章 无线传感器网络感知节点技术图4-3 光生伏特效应原理示意图第4章 无线传感器网络感知节点技术 太阳光照在半导体PN结上，形成新的空穴-电子对，在PN结内电场的作用下，光生空穴流向P区，光生电子流向N区，接通电路后就产生电流。按照制作材料，太阳能电源分为硅基
18、半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中，硅基半导体电池又分为单晶硅电池、多晶硅电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳能电池来说，最重要的参数是转换效率。单晶硅电池的转换效率为25.0%，多晶硅电池的转换效率为20.4%，CIGS薄膜电池的转换效率为19.6%，CdTe薄膜电池的转换效率为16.7%，非晶硅(无定形硅)薄膜电池的转换效率为10.1%。第4章 无线传感器网络感知节点技术 太阳能电池有太阳能电池的极性、太阳能电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。太阳能电池的极性表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型(N和P)，与制造电池所
19、用半导体材料的特性有关；太阳能电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成，是衡量太阳能电池性能好坏的标志；太阳能电池的伏安特性反映出转化能力，PN结太阳能电池包含一个形成于表面的浅PN结、一个条状或指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及位于正面的一层抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献；能量大于禁带宽度Eg的第4章 无线传感器网络感知节点技术光子才会对电池输出贡献能量Eg，小于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。太阳能电池
20、组件构成如图4-4所示。第4章 无线传感器网络感知节点技术 2化学电池 电池是指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器。它是能将化学能转化成电能的装置，具有正极、负极之分。电池构成原理示意图如图4-5所示。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置，如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压、稳定电流、长时间稳定供电、受外界影响很小的电流，并且电池结构简单、携带方便、充放电操作简单易行、不受外界气候和温度的影响、性能稳定可靠。第4章 无线传感器网络感知节点技术图4-5 电池构成原理示意图第4章 无线传感器网络感知节点
21、技术 化学电池可以将化学能直接转变为电能，靠电池内部会自发地进行氧化、还原等化学反应，而这两种化学反应是分别在两个电极上进行的。负极活性物质由电位较低并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属，氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较高并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差(开路电压)，但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外第4章 无线传感器网络感知节点技术电路闭
22、合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时，在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化反应或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证电池正常输出电能的必要条件。充电时，电池内部的传电和传质过程的方向恰好与放电相反，且电极反应必须是可逆的，才能保证反方向传质与传电过程的正常进行。因此，电极反应可逆是构成电池的必要条件。第4章 无线传感器网络感知节点技术 在电池中，能斯特(Nernst)方程用来计算电极上相对于标准电动势(E0)来说的指定氧化还原对的
23、平衡电压(E)，即式中，E为氧化型和还原型在绝对温度T及某一浓度时的电极电动势，E0为标准电极电动势，R为气体常数8.3143(J/Kmol)，T为绝对温度，F为法拉第常数(等于阿伏伽德罗常数NA每个电子的电量e，大约为96500 C/mol)，n为电极反应中得失的电子数，Ox为氧化物，Red为还原物。RedOxrTEElg FR0第4章 无线传感器网络感知节点技术 Nernst方程反映了非标准电极电动势和标准电极电动势的关系，表明任意状态电动势与标准电动势、浓度以及温度之间的关系，也是计算电池能量转换效率的基本热力学方程式。一般地，一个2000 mAh的电池理论上可以持续输出10 mA的电流
24、达200 h。但实际上，由于电压变化、环境变化等多种因素，电池的容量并不能被完全利用。实际上，当电流流过电极时，电极电势都要偏离热力学平衡的电极电势，这种现象称为极化。电流密度(单位电极面积上通过的电流)越大，极化越严重。极化现象是造成电池能量损失的重要原因之一。极化的原因有以下三个：第4章 无线传感器网络感知节点技术 由电池中各部分电阻造成的极化称为欧姆极化；由电极和电解质界面层中电荷传递过程的阻滞造成的极化称为活化极化；由电极和电解质界面层中传质过程迟缓而造成的极化称为浓差极化。减小极化的方法是增大电极反应面积、减小电流密度、提高反应温度以及改善电极表面的催化活性。电池标准是由国际电工委员
25、会(International Electrical Commission，IEC)制定的，其中镍镉电池的标准为IEC 285，镍氢电池的标准是IEC 61436，锂离子电池的标准是IEC 61960。第4章 无线传感器网络感知节点技术 3蓄电池 蓄电池是可充电电池的一种，这类电池共同的特点是可以经历多次充电和放电循环，从而实现反复使用。根据材料不同，蓄电池可以分为铅蓄电池、铅晶蓄电池、铁镍蓄电池、镍镉蓄电池、银锌蓄电池等。1)铅蓄电池 铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成，极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸，两极板均覆盖有硫酸铅，其结构示意图如图4-6所示。第4章 无线传感
26、器网络感知节点技术图4-6 铅蓄电池结构示意图第4章 无线传感器网络感知节点技术 2)铅晶蓄电池 铅晶蓄电池采用高导硅酸盐电解质取代硫酸液作为电解质，是传统铅酸电池电解质的复杂性改型。通过无酸雾化工艺，铅晶蓄电池在生产、使用及废弃过程中都不存在污染问题，更符合环保要求。由于铅晶蓄电池用硅酸盐取代硫酸液作为电解质，从而克服了铅酸电池使用寿命短、不能大电流充放电等缺点，更加符合动力电池的必备条件。铅晶蓄电池较铅酸电池具有无可比拟的优越性：铅晶蓄电池的使用寿命长。一般铅酸电池循环充放电都在350次左右，而铅晶蓄电池在额定容量放电60%的前提下，循环寿命700多次，相当于铅酸电池寿命的一倍。第4章 无
27、线传感器网络感知节点技术 高倍率放电性能好。特殊的工艺使铅晶蓄电池具有高倍率放电的特性，一般铅酸电池放电只有3C，铅晶蓄电池放电最大可以达到10C。深度放电性能好。铅晶蓄电池可深度放电到0 V，继续充电可恢复全部额定容量，这一特性相对铅酸电池来讲是难以达到的。耐低温性能好。铅晶蓄电池的温度适应范围比较广，从-2050都能适应，特别是在-20的情况下，放电能达到87%。环保性好。铅晶蓄电池采用的是新材料、新工艺和新配方，不存在酸雾等挥发的有害物质，对土地、河流等不会造成污染，更加符合环保要求。第4章 无线传感器网络感知节点技术 3)铁镍蓄电池 与酸性蓄电池不同，铁镍蓄电池的电解液是碱性的氢氧化钾
28、溶液，因此铁镍蓄电池是一种碱性蓄电池。其正极为氧化镍，负极为铁。充电、放电时，其电动势在1.31.4 V之间。其优点是轻便、寿命长、易保养，缺点是效率不高。4)银锌蓄电池 银锌蓄电池正极为氧化银，负极为锌，电解液为氢氧化钾溶液。银锌蓄电池的比能量大，能大电流放电，耐震，可用作宇宙航行、人造卫星、火箭等的电源。而且，银锌蓄电池的充放电次数可达100150次循环。其缺点是价格昂贵，使用寿命较短。第4章 无线传感器网络感知节点技术 4燃料电池 燃料电池是一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换成电能的装置。燃料电池与蓄电池的不同之处在于，它可以从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂而不需要
29、充电。燃料电池由燃料(例如氢、甲烷等)、氧化剂(例如氧和空气等)、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，而且是多孔结构的，可以保证较大的活性面积。工作时，将燃料通入负极，将氧化剂通入正极，它们将各自在电极的催化下进行电化学反应，从而获得电能。燃料电池把燃烧所放出的能量直接转变为电能，所以它第4章 无线传感器网络感知节点技术的能量利用率高，是热机效率的两倍以上。此外，它还具有以下优点：设备轻巧；不发生噪音，污染很小；可连续运行；单位重量输出电能高。因此，它已在宇宙航行中得到应用，在军用与民用的各个领域中也有广阔的应用前景。5温差电池 将两种金属接成闭合电路，并在两个接头处保持不同温度，此
30、时产生的电动势即温差电动势，这种反应叫做塞贝克第4章 无线传感器网络感知节点技术效应(见温差电现象)，而这种装置叫做温差电偶或热电偶。金属温差电偶产生的温差电动势较小，常用来测量温度差。但是，也可以将温差电偶串联成温差电堆作为小功率的电源，称作温差电池。用半导体材料制成的温差电池的温差电效应较强。6核电池 核电池是能把核能直接转换成电能的装置(目前的核发电装置是利用核裂变能量使蒸汽受热以推动发电机发电，但还不能将核裂变过程中释放的核能直接转换成电能)。通常，核电池包括辐射射线(高速电子流)的放射性源(例如锶-90)、收集这些电子的集电器以及电子由放射性源到集电器所通过第4章 无线传感器网络感知
31、节点技术的绝缘体三个部分。放射性源一端因失去负电成为正极，集电器一端因得到负电成为负极，从而在放射性源与集电器两端的电极之间形成电位差。这种核电池可产生高电压，但电流很小。它常用于人造卫星及探测飞船中，可长期使用。4.2.2 传感器模块传感器模块 传感器是感知节点硬件的核心和关键技术，传感器输出的信号有模拟信号和数字信号。在传感器节点平台中，使用哪种传感器往往由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定。基于模拟信号的传感器为每一个测量的物理量输出一个原始的模拟量，如电压，这些模拟量必须先被数字化才能被第4章 无线传感器网络感知节点技术使用。目前常见传感器的特性如表4-1所示。表4-1 目前常见传
32、感器的特性厂商离散采样时间类 型工作电压/V工作能耗Taos330 ms可见光传感器2.75.51.9 mADallasr400 ms温度传感器2.55.51 mASensirion300 ms湿度传感器2.45.5550 mAIntersema35 ms压强传感器2.23.61 mAHoneywell30 ms磁传感器4 mAAnalog Devies10 ms加速度传感器2.53.32 mAPanasonic1 ms声音传感器2100.5 mAMotorola烟传感器6125 mAMelixis1 ms被动式红外传感器0 mALi-Cor1 ms合成光传感器0 mAEch2o10 ms土壤
33、水分传感器252 mA第4章 无线传感器网络感知节点技术4.2.3 微处理器模块微处理器模块 自从1947年发明晶体管以来，70多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此它被称为“产业的种子”。中央处理器(Central Processing Unit，CPU)是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件。伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”(Micr
34、oprocessor)。目前，微处理器已经无处不在，无论第4章 无线传感器网络感知节点技术是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制、数控机床以及导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，还是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等也都采用大量的通用高性能微处理器搭建而成。1微处理器发展历史 微处理器的发展大致可分为以下六个阶段：第一代(19711973年)，是4位或8位微处理器，典型的微处理器有Intel 4004和Intel 8008。Intel 4004是一种4位微处理器，可进行4位二进制的并行运算，它有45
35、条指令，速度0.05MIPs(Million Instruction Per Second，每秒百万条指令)。第4章 无线传感器网络感知节点技术 第二代(19741977年)，典型的微处理器有Intel 8080/8085、Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。与第一代微处理器相比，第二代的集成度提高了14倍，运算速度提高了1015倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构、中断、直接存储器存取等功能。第三代(19781984年)，这一时期Intel公司推出16位微处理器8086/8088。8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为
36、1 MB。第四代(19851992年)，32位微处理器。典型的产品有Intel公司的80386DX/80386SX，其内部包含27.5万个晶体管，数据总线是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存，且可以管理64TB的虚拟存储空间。第4章 无线传感器网络感知节点技术 第五代(19932005年)，奔腾(Pentium)系列微处理器，典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。奔腾系列微处理器内部采用了超标量指令流水线结构，具有相互独立的指令和数据高速缓存。第六代(2005年至今)，是酷睿(Core)系列微处理器时代。酷睿系列微处理器的设计出发点是提供
37、卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。2微处理器的内涵 微处理器与一些芯片的概念容易混淆，如微机、微处理机、单片机等。微机和单片机是按照计算机规模分类的，即分为巨、大、中、小、微、单板、单片机。微处理器和CPU第4章 无线传感器网络感知节点技术是按计算机处理器分类的，CPU是计算机中央处理器的总称，而微处理器是微型计算机的中央处理器。具体的定义如下：(1)微处理器就是通常所说的CPU，又叫中央处理器，其主要功能是进行算术运算和逻辑运算，内部结构大致可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长，微处理器可以分为8位微处理器、16位微处理器、32位微
38、处理器以及64位微处理器等。(2)微计算机简称微型机或微机，它的发展是以微处理器的发展来表征的。将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理单元，称为微处理器。微型计算机是以微处理器为核心，再配上存储器和接口第4章 无线传感器网络感知节点技术电路等芯片构成的。(3)单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一块芯片上，这一块芯片就成了一台计算机。单片机是将CPU、适当容量的存储器(有RAM、ROM)以及I/O接口电路三个基本部件集成在一块芯片上，再通过接口电路与外围设备相连接而构成的。现在的单片CPU还集成了数模转换电路，还有的
39、集成了根据行业需要定制的一些特殊电路等。3微处理器的分类与基本结构 根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类：通用高性能微处理器，嵌入式微处理器和数字信号处理器，第4章 无线传感器网络感知节点技术微控制器。一般而言，通用高性能微处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统。嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能，运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电。微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。微处理器的结构主要分成两个部分，一部分是执行部件(EU)，即执行指令
40、的部分；另一部分是总线接口部件(BIU)，与8086总线类似，执行从存储器取指令的操作。微处理器分成EU和BIU后，可使取指令和执行指令的操作重叠进行。16位8086微处理器结构示意图如图4-7所示。第4章 无线传感器网络感知节点技术 图4-7 16位8086微处理器结构示意图 第4章 无线传感器网络感知节点技术 从图4-7中可知，EU部分由一个寄存器堆(由8个16位的寄存器组成，可用于存放数据、变量和堆栈指针)、算术运算逻辑单元ALU(用于执行算术运算和逻辑操作)和标志寄存器(用于寄存这些操作结果的条件)组成，这些部件是通过数据总线传送数据的。总线接口部件也有一个寄存器堆，其中CS、DS、S
41、S和ES是存储空间分段的分段寄存器。IP是指令指针，内部通信寄存器也是暂时存放数据的寄存器，指令队列用于把预先取来的指令流存放起来。总线接口部件还有一个地址加法器，用于把分段寄存器值和偏置值相加，从而取得20位的物理地址，数据和地址通过总线控制逻辑与外面的第4章 无线传感器网络感知节点技术8086系统总线相联系。8086有16位数据总线，处理器与片外传送数据时，一次可以传送16位二进制数。8086具有一个初级流水线结构，可以实现片内操作与片外操作的重叠。4其他微处理器情况 在微处理器研发方面，除了主流的Intel公司外，国内外还有其他公司和研究机构在进行这方面的研发。IBM公司从1975年开始
42、研制基于RISC设计的处理器，并在多年后出现了广泛应用的ARM系列芯片。摩托罗拉公司从1975年开始推出6800处理器，以此为基础研制出MC68010、88000的32位RISC处理器系列，后来因企业业务重点研制PowerPC而被迫停产。Z-80是由从Intel离走的Frederico Faggin设计的8位微处理器，是8080的增强版，后期被51系列处理器取代。第4章 无线传感器网络感知节点技术 中国从2004年开始研发微处理器。由清华大学自主研发的32位微处理器THUMP芯片，工作频率为400MHz，功耗为1.17mW/MHz，芯片颗粒40片，最高工作频率可达500MHz。自2002年起，
43、中科院计算所陆续推出了龙芯1号、龙芯2号、龙芯3号三款微处理器，它们在包括服务器、高性能计算机、低能耗数据中心、个人高性能计算机、高端桌面应用、高吞吐计算应用、工业控制、数字信号处理、高端嵌入式应用等产品中具有广阔的市场应用前景。5在传感节点的应用 微处理器是负责无线传感节点中计算的核心部件。目前的微处理器芯片同时集成了内存、闪存、模/数转换器、数第4章 无线传感器网络感知节点技术字I/O等，这种深度集成的特征使得它们非常适合在无线传感网络中使用。下面分析微处理器特性中影响节点整体性能的几个关键特性。功耗特性 唤醒时间 供电电压 运算速度 内存大小第4章 无线传感器网络感知节点技术常见的微处理
44、器及其关键特性如表4-2所示。表4-2 常见微处理器及其关键特性厂商设备发布年份字长/位工作电压/V内存/KB闪存/KB工作能耗/mA睡眠能耗/mA唤醒时间/msAtmelAtmega128L200282.75.541280.9556AtmelAtmega1281200581.85.581280.916AtmelAtmega1561200581.85.582560.916EmberEM2502006162.13.651288.51.51000FreescaleHC05198883.05.50.30112000FreescaleHC08199384.55.51321204FreescaleHCS
45、08200382.75.54607.4110JennicJN51212005322.23.6961284.252500JennicJN51392007322.23.61921283.03.32500TIMSP430F1492000161.83.62600.421.66TIMSP430F16112004161.83.610480.52.66TIMSP430F26182007161.83.681160.51.11TIMSP430F54372008161.83.6162560.281.75ZiLOGEz80F912004163.03.6825650503200第4章 无线传感器网络感知节点技术4.2
46、.4 存储模块存储模块 存储就是根据不同的应用环境通过采取合理、安全、有效的方式将数据保存到某些介质上并能保证有效的访问。总的来讲，它包含以下两个方面的含义：一方面它是数据临时或长期驻留的物理媒介；另一方面，它是保证数据完整安全存放的方式或行为。存储器是系统实现存储的记忆设备，其主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机系统运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息，这些器件也称为记忆元件。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。第4章 无线传感器网络感知节点技术 按用途分，存储器可分为主存储器(内存)和辅助
47、存储器(外存)，也可分为外部存储器和内部存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。大部分只读存储器用金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管制成。其中，快闪存储器以其集成度高、功耗低、体积小，又能在线快速擦除的优点而获得飞速发展，并有可能取代现行的硬盘和软盘而成为主要的大容量存储媒介。按功能分，存储器可分为只读存储器(ROM)和读写存储器(RAM)。ROM表示的是只读存储器，即只能读出信息，第4章 无线传感器网络感知节点技术不能写入信息，计算机关闭电源后其内的信息仍旧保存着，一般用它存储固定的系统软件
48、和字库等。RAM表示的是读写存储器，可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息丢失，再次开机需要重新装入，通常用来存放操作系统、各种正在运行的软件、输入和输出数据、中间结果及与外存交换信息等。RAM就是常说的内存。1只读存储器 只读存储器是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器，为非易失性存储器。其特性是一旦存储资料就无法再修改或删除。通常用在不需要经常变更资料的电子或电脑系统中，并且资料不会因为电源关闭而消失。ROM结构较第4章 无线传感器网络感知节点技术简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。ROM所存数据一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能
49、读出ROM中的数据，而不像随机存储器那样能快速地、方便地进行改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变。除少数品种的只读存储器(如字符发生器)可以通用之外，不同用户所需只读存储器的内容不同。为便于使用和大批量生产，进一步研制出了可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程序只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM，第4章 无线传感器网络感知节点技术EEPROM)。例如，早期的个人电脑(
50、如Apple II或IBM PC XT/AT)的开机程序(操作系统)或其他各种微电脑系统中的韧体(Firmware)均采用此方式。1)可擦除可编程只读存储器 可擦除可编程只读寄存器，由以色列工程师Dov Frohman发明，是一种断电后仍能保留数据的计算机存储芯片。EPROM是一组浮栅晶体管，被一个提供比电子电路中常用电压更高电压的电子器件分别编程。一旦编程完成后，EPROM只能用强紫外线照射来擦除。通过封装顶部能看见硅片的透明窗口，很容易识别EPROM，这个窗口同时也用来进行紫外线擦除。第4章 无线传感器网络感知节点技术 EPROM采用双层栅(二层poly)结构，结构示意图如图4-8所示。浮
