采用片上系統(tǒng)解決方案設計下一代低功耗自動傳感器節(jié)點

　　隨著物理感應越來越普及，高精度高效無線傳感器和通信節(jié)點也變得越發(fā)重要。無線傳感器節(jié)點是一種包含傳感器、調節(jié)電路和數據通信等基本元件的平臺。一系列節(jié)點在空間內分布開來，協(xié)作感應并傳輸數據，從而形成一個無線傳感器網絡 (WSN)。

　　無線傳感器節(jié)點嵌入到許多器件之中，已經成為我們生活環(huán)境的一部分。許多電子產品都配備了不同的傳感器，傳感器數據可用于滿足各種需求。舉例來說，手機內的加速計就能跟蹤我們的動作，而汽車輪胎內的壓力傳感器則能確保胎壓處于最佳狀態(tài)。

　　無線傳感器節(jié)點是一種新興的應用，而能耗是這種應用的關鍵指標。無線傳感器節(jié)點的大規(guī)模成功部署依賴于分布式計算、網絡、無線通信等眾多領域的發(fā)展，特別是低功耗電路設計的發(fā)展顯得尤為重要。無線傳感器網絡的應用涵蓋工業(yè)、家庭自動化、醫(yī)療監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)控以及農業(yè)資源管理等領域。　　

 

　　通用型無線傳感器節(jié)點　　

圖 2：簡單通用型無線傳感器節(jié)點的方框圖

　　通用型無線傳感器節(jié)點包含一個處理器。該處理器是系統(tǒng)的核心，負責控制節(jié)點的各種感應活動，并安排數據傳輸任務。編程到處理器中的算法集成了協(xié)作感應和能量管理控制等特性。傳感器構成了采集系統(tǒng)，然后需要處理器完成處理和控制工作。整個系統(tǒng)可用電池供電，也可以通過存儲收集到的能量進行供電。由于所需的電壓不同，需要對低壓輸入進行升壓轉換，因此系統(tǒng)還要包含調節(jié)器。收集到的數據必須定期無線傳輸到數據中心，并由數據中心通過 RF 或 GSM 將數據上傳到因特網。

　　無線傳感器節(jié)點的一般要求：

　　1. 低能耗：由于無線傳感器網絡的部署規(guī)模通常較大，因此電池更換工作非常困難。在此情況下，節(jié)點處理必須實現低功耗和高能效。可以使用能量收集方法實現節(jié)點的自我維持。

　　2. 自我修復結構：一個節(jié)點發(fā)生故障不應對整個網絡的工作造成明顯影響。通過其它網絡節(jié)點的支持，應該能夠方便地進行調試和修復。通信故障的影響應當最小化，在此情況下，備份控制機制應當發(fā)揮作用，以避免寶貴數據丟失。

　　3. 高穩(wěn)健性：由于節(jié)點部署在各種不同的惡劣物理條件下，所以應當確保能夠長期準確地運行，且不會產生任何問題。

　　未來的挑戰(zhàn)：

　　● 典型節(jié)點尺寸已經從最初的幾立方厘米減小到 1 立方厘米以下。尺寸主要由能量存儲和收集器決定。
　　● 系統(tǒng)不同部分的功率分布應確保高效性。
　　● 此外，擴展性問題也會影響存儲元件以及采集傳感器的大小，這關系到轉換效率問題。電池尺寸同樣也要不斷縮小。
　　● 待機工作模式非常重要，因此漏電流/靜態(tài)耗電性能已成為關鍵的設計參數。
　　● 節(jié)點通常在各種非理想的物理條件下工作。因此只有對實際條件下的運行狀態(tài)進行深入徹底地鑒定和調查才能確保無線節(jié)點的成功部署。