Node Architecture

节点是 WSN 中的基本元素。每个节点由感知、处理、通信、能量等系统组成。

其中 processor subsystem 处理子系统是最主要的，也决定了整个系统的效率和灵活性。

其他系统以自己的方式与控制系统相连，如传感系统可能以 ADC 的方式（并不适用于高频信号，因为会产生过多的干扰降低信噪比），通信系统可能采用 SPI 串行通信，电源系统一般采用直流，可能带有晶振、放大器等使得供电与其他原件相适应。

传感系统 Sensing subsystem

早期传感器并不常用，如张衡发明的地震仪。普及主要是因为微机电系统（MEMS）使得传感器变得便捷、廉价。

ADC 传感器是一种典型的传感器。它的转化需求有两点：

量化。根据信号的频率和大小，以及可用的处理和存储资源，把连续信号量化为合适的离散值。这一部是为了量化误差。
采样频率。通常由奈奎斯特速率决定，不过 WSN 系统中由于噪音，奈奎斯特速率并不够，我们还需要过度采样。这一部是为了处理混叠。

处理系统 Processor Subsystem

尽管现在有很多成熟的处理器系统，但大多数时候我们的需求是动态可变的，复杂的。

我们现在使用的处理子系统一般采用微控制器，除了能解决上面说的问题，还可以开发节能通信协议和信号处理算法。

通常处理器子系统采用3种基本架构之一：

冯诺依曼结构

有一根总线使得处理器可以和数据、指令通信，效率较低。
哈佛结构

两根总线分别直接连接数据和指令。效率较高些，但是不能实现虚拟内存和内存保护。
超级哈佛结构

在哈佛结构的基础上，一方面处理器内部有数据缓存，可以不用太频繁地去内存中存取数据，也可以临时存放待调度的数据，提高效率；另一方面处理器可以通过内存从 IO 口获取数据，支持芯片外部 IO。

微控制器

简单集成电路组成的小型电脑。通常由 CPU 和一些外设组成。比如电梯里就含有微控制器。

组成：

CPU
RAM
ROM 或 EPROM 或 EEPROM 或闪存。
并行 IO 串口。
不连续的输入输出位。
时钟。
ADC 转换器。
串行通信接口。
用于互联系统外围设备的网络。

微处理器灵活，成本低，功耗低，可编程。但是肯定是不如 DSP 或 FPGA 等定制处理器强大。此外，应对一些简单但需要大规模部署的任务（如活火山状态检测）杀鸡焉用牛刀，只需要一些简单的传感器即可。

DSP

通过一些简单的假发起、乘法器和延迟组件，执行复杂的数学运算，来处理离散信号。

DSP 可以实现强大而复杂的数字滤波器，但是无法执行一些非数值操作的任务（如网络管理、自组织等）。而且协议可能定期升级，网络重新编程的灵活性需求也很重要。

ASIC

特定应用集成电路，可以针对特定应用进行定制。

半定制：利用一些已有的电路器件，按某种特定的规则连接。

全定制：可能重新设计一些电路器件，重新设计连接方式进行连接。

最终的一些编程操作还是交给用户处理，减少上市时间和设计风险。

ASIC 相比微控制器，可以轻松设计和优化，以满足特定客户需求。缺点可能在于设计困难、可重新配置性差、开发成本高。

ASIC 和微控制器、DSP 之间不是取代关系，而是互补关系。

FPGA

以前 FPGA多用于验证 ASIC 的可行性，我们选定一些器件进行验证。后来通用器件成本降低以及 ASIC 成本增加，且 FPGA 编程更加灵活。

相比 DSP，FPGA 可以处理浮点，可以把处理速度展示给开发者，方便调试；但 FPGA 更复杂，成本相对更高。

比较

微控制器灵活性最好，DSP 速度更快一点，但成本也高，常用数字信号处理。FPGA 处理能力更上一层楼，速度也更快，当然成本也更高。ASIC 因为是专门设计的电路，体积最小，性能最好，但是成本十分高昂。

通信接口

SPI 串行外设接口

高速，全双工。

SPI 总线定义了四个位：MOSI （主出从入），MISO （主入从出），SCLK，CS（芯片选择）。

SPI 是单个主总线，因此微控制器默认是其主总线。组件之间不能直接相互通信，只能通过微控制器间接发送。

主从之间形成了一个移位寄存器。因此哪怕只有少数几个从节点要用，也必须全部发送数据。也就是说不参与传输的节点可能要发送伪字节。

SPI 支持同步通信，这需要主从服务器在时间和一些属性上达成一致（如决定高活动模式还是低活动模式的 CPOL 和决定何时读取，何时写入数据的 CPHA。

I2C

半双工，使用两条双向通信线。

早期各个设备在总线上有自己的7位地址用于其他设备寻址。后来改为10位。

a 图为7位通讯方式。主服务器先发送一个字节（从结点的7位地址+读/写），随后收到从节点的 ACK 数据后再继续发送数据位字节，每发送一个等待一次 ACK。

b 图为10位通讯方式，先发送前导位 11110（7位接收到这个开头，就会知道这个是10位通讯方式了，就会自动忽略掉这个信号），第一个字节的后2位和第二个字节的8位组成10位地址。

这里可以参考博主的51单片机学习笔记：51单片机学习笔记_8 IIC&AT24C02 芯片的应用_灰海宽松的博客-CSDN博客。为了提高一点效率，我们让数据每次写入1个字节，即 SCL=0 时允许数据变化，SCL 置1时发送数据。

WSN_2 Node Architecture