1 引 言 傳感器網絡中, 隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構成網絡, 借助于節(jié)點中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號, 從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質現象。在通信方式上, 雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式, 但一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用, 一般稱作無線傳感器網絡（WSNs） 。這種無線傳感器網絡中的每個傳感器節(jié)點都可以進行周圍環(huán)境數據的采集、簡單計算以及與其它節(jié)點及外界進行通信。傳感器網絡的多節(jié)點特性使得眾多的傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感, 以及組成一個容錯性好的的采集系統(tǒng)。正是由于這些優(yōu)點, 近年來出現了許多基于分布式的無線傳感器網絡應用, 如搶險救災、智能家居以及生物化學武器攻擊的探測和救援。 然而, 作為一種新興出現的技術, 建立一個運轉良好、魯棒（Robust） 性好的無線傳感器網絡還是面臨著許多挑戰(zhàn)。而且由于它的一些獨特特性, 無線傳感器網絡的設計方法與現有無線網絡的設計方法有很大不同。例如, 由于傳感器網絡中的傳感器節(jié)點分布密集, 所以需要大范圍的數據管理和處理技術。其次, 無線傳感器網絡節(jié)點一般部署在人類難以到達和接觸的區(qū)域, 這就使傳感器網絡節(jié)點的維護面臨著很大的挑戰(zhàn)。除此之外,電源消耗也是一個很重要的問題, 無線傳感器節(jié)點作為微小器件, 只能配備有限的電源, 在有些應用場合下, 更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節(jié)點的壽命在很大程度上依賴于電池的壽命, 所以降低功耗以延長系統(tǒng)的壽命是無線傳感器網絡設計需要首要考慮的問題。許多無線傳感器網絡方面的研究人員都在注重研究新的節(jié)約功耗的協議和算法, 這些協議和算法需要傳感器網絡平臺進行實驗和驗證。以下小節(jié)我們就將介紹一種無線傳感器網絡實驗平臺, 在這個平臺上可以對協議和算法方便地進行實驗和驗證。 在此平臺中我們采用了Altera公司的NIOS 軟核嵌入式處理器, 它是一種可特許的通用RISC CPU, 也就說, 是以IP 核的方式將它提供給設計者。它可以與各種各樣的外設、定制指令和硬件加速單元相結合, 構成一個定制的SOPC。該處理器具有可由用戶配置的L1（ 第一層） 指令與數據超高速緩存。NIOS 處理器還具有一種基于JTAG 的OCI（片上儀器） 內核, 使軟件開發(fā)人員在實時調試方面具有更明顯的優(yōu)勢。該處理器的軟件支持可擴展到對APR、IP、ICMP、TCP、UDP 和以太網的網絡協議支持。 2 無線傳感器網絡平臺架構 典型的無線傳感器網絡結構如圖1 所示, 無線傳感器節(jié)點經多跳轉發(fā), 通過網關節(jié)點接入網絡, 在網絡的任務管理節(jié)點對傳感信息進行管理、分類、處理, 再把傳感信息送給應用用戶使用。傳感器節(jié)點首先采集諸如聲、光和距離等環(huán)境相關的數據, 并對這些數據進行簡單處理后傳送到網關節(jié)點。無線傳感器網絡通常具有兩種應用模式: 主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網關節(jié)點對各個傳感器節(jié)點進行主動的輪詢以獲得消息,而被動模式則要求在某個傳感器節(jié)點事件發(fā)生時, 網關節(jié)點能予以及時的響應。各個傳感器節(jié)點得到的數據還能進行組合, 這也很大地提高了傳感器網絡的效率。當然這也要求傳感器節(jié)點要具有一定的計算能力。 [align=center] 圖1 一個典型的傳感器網絡結構圖[/align] 3 系統(tǒng)硬件實現 在本文介紹的系統(tǒng)架構中, 主要需要實現的是傳感器節(jié)點和網關的硬件平臺, 下面介紹這兩個平臺的硬件實現。 3.1 傳感器節(jié)點的硬件實現 傳感器節(jié)點的功能是采集人們感興趣的數據, 并將數據發(fā)送給各個傳感器節(jié)點組的網關。傳感器節(jié)點主要由電源模塊、計算模塊、存儲單元、通信模塊和傳感單元組成, 如圖2 所示。 [align=center] 圖2 傳感器節(jié)點的組成[/align] （1）根據以上所述的節(jié)點結構, 我們在系統(tǒng)中采用了Altera公司生產的Cyclone系列FPGA, Cyclone是一款低價格、中等密度的FPGA, 采用0.13μm全銅SRAM工藝, 容量從2910 個邏輯單元到20010 個邏輯單元, 1.5V 內核。使其與NIOS 軟核嵌入式處理器完美結合, 能夠將處理器、存儲器、A/D 和D/A 轉換器等系統(tǒng)設計需要的功能模塊集成在一起, 構建成一個可編程的片上系統(tǒng), 實現傳感器節(jié)點模塊的高度集成化。 （2）傳感器節(jié)點的通信模塊的功能是由TRF6901 射頻收發(fā)器來實現。該收發(fā)器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用于無線傳感器網絡系統(tǒng)中, 該收發(fā)器可以工作在860MHz～930MHz 公共頻段中。射頻模塊通過串口與NIOS 軟核心處理器通信。以下是TRF6901 可供參考的一些特性: a.低功耗, 發(fā)射電流最大為40mA, 接收電流最大為20mA, 待機電流最大為4μA; b.可以使用OOK 和FSK 兩種調制方式; c.集成有頻率合成器和壓控振蕩器; d.內含鎖相環(huán)和參考振蕩器; e.具有9dBm 的典型輸出功率; f.內含可編程電池檢測電路; g.帶有接收信號強度檢測器; h.具有靈活的3 線串行接口, 可方便地與微控制器進行連接; i.基準振蕩器頻率可編程微調; j.集成度高, 外圍元件少。 （3）每個傳感器節(jié)點采用AA 電池供電。 3.2 網關的硬件實現 網關的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、頻收發(fā)模塊和GPRS 通信模塊組成, 如圖3 所示。網關的中央處理單元主要用來處理從傳感器節(jié)點采集到的數據以及完成一些控制功能。中央處理單元的功能實現仍是采用Altera公司的FPGA 中的Cyclone系列與NIOS 軟核嵌入式處理器的結合完成的。這樣的設計使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應用。此外, 它可以集成許多外設接口, 包括USB2.0 接口和以太網接口等。 [align=center] 圖3 網關節(jié)點的組成[/align] 為了將采集到的數據傳輸到互聯網上, 網關設備還配有GPRS 通信單元, GPRS 通信單元主要是由Telit公司的GM862 模塊組成, 該模塊和NIOS 處理器之間的通信采用AT 命令, 這樣可以簡化產品設計。它通過中國移動現成的GPRS 網絡將傳感器采集到的數據傳輸的互聯網上, 用戶可以通過普通PC 和GPRS 手機終端來觀測傳感器采集到的數據。網關同時還配有與傳感器節(jié)點相同的RF 收發(fā)模塊, 用于接受傳感器節(jié)點發(fā)送的數據。 4 系統(tǒng)的軟件結構 在我們的無線傳感器網絡系統(tǒng)中, 軟件部分主要是在網關和傳感器節(jié)點上, 主要利用匯編和C 語言進行開發(fā)。網關端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節(jié)點傳輸過來的數據, 它主要由GPRS 通信軟件、RF 通信軟件、命令行軟件以及任務管理軟件組成, 如圖4 所示。傳感器節(jié)點端的軟件主要完成的功能是接受傳感單元的數據, 并將數據發(fā)送到傳感器節(jié)點組的網關上,它除了沒有GPRS 通信軟件之外, 其它與網關端軟件組成相同。 [align=center] 圖4 網關端的組織結構圖[/align] 5 小 結 在文章中介紹了一個基于NIOS 軟核的無線傳感器網絡演示系統(tǒng), 整個系統(tǒng)建立在嵌入式NIOS 軟核心處理器的基礎上, 盡量使用SOPC Builder 中已有的標準配置IP 核, 具有硬件集成度高、設計周期短, 可以通過合理控制各部件實現低功耗要求, 軟件易于開發(fā)等優(yōu)點。無線傳感器網絡是新興的通信應用網絡, 其應用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領域。因此, 無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡, 需要各種技術支撐。目前, 該實驗平臺已在實驗室開始運用。今后, 發(fā)展迅速的SOPC技術和成熟的通信技術都可能經過適當的改進和進一步發(fā)展, 應用到無線傳感器網絡中, 形成新的市場增長點, 創(chuàng)造無線通信的新天地。