その巨大なアプリケーションの見通しのため、ワイヤレス センサー ネットワークは学界と産業界からますます注目を集めています。このホワイトペーパーでは、ワイヤレスセンサーネットワークノードのアーキテクチャを紹介し、国内外の現在の典型的なハードウェアプラットフォームを分析および比較し、ワイヤレスセンサーネットワークノードで一般的に使用されているプロセッサ、無線周波数チップ、電源、およびセンサーの長所と短所に焦点を当てています。くわしく比較無線センサーネットワークで現在使われている無線通信技術。
キーワード 無線センサーネットワーク ハードウェアプラットフォーム 低消費電力無線通信
序章
WSN（Wireless Sensor Network）は、さまざまな情報（光の強さ、温度、湿度など）、ノイズや有害ガス濃度などの物理現象）を監視、認識、収集できるセンサーノードと、情報は処理され、ワイヤレスで送信され、最終的にワイヤレス ネットワークを介してオブザーバーに送信されます。ワイヤレス センサー ネットワークは、軍事偵察、環境監視、医療、スマート ホーム、工業生産管理、商取引などに幅広い用途の可能性があります。
センサーネットワークにおいて、センサーノードはエンドノードとルーティングの機能を持ち、一方ではデータの収集と処理を実現し、他方ではデータの融合とルーティングを実現し、自身が収集したデータとデータを統合します。他のノードから送信されたデータ、ルートをゲートウェイ ノードに転送します。多くの場合、ゲートウェイ ノードの数は制限されており、多くの場合、エネルギーを補うことができます。ゲートウェイは通常、複数の方法 (インターネット、衛星、モバイル通信ネットワークなど)を使用して外界と通信します。しかし、センサーノードの数は非常に多く、通常、エネルギーを供給するために補充できないバッテリーが使用されます.センサーノードのエネルギーがなくなると、ノードはデータ収集およびルーティング機能を実行できなくなり、堅牢性と信頼性に直接影響します.センサーネットワーク全体のライフサイクル。したがって、センサーネットワークは主にセンサーネットワークノードを研究します。特定のアプリケーションが異なり、センサー ネットワーク ノードの設計も異なりますが、基本的な構造は同じです。センサーネットワークノードは、一般的に、図1に示すように、プロセッサユニット、無線伝送ユニット、センサーユニット、パワーモジュールユニットの4つの部分で構成されています。
図1 ワイヤレスセンサーネットワークノードの典型的な構成
1 無線センサーネットワークの典型的なノード
小型化された組み込みシステムとして、センサー ネットワーク ノードは、ワイヤレス センサー ネットワークのベース レイヤー サポート プラットフォームを構成します。ほとんどのワイヤレス センサー ネットワークはバッテリで駆動されるため、作業環境は通常過酷であり、その数は多く、バッテリの交換は非常に困難です. したがって、低消費電力は、ワイヤレスの最も重要な設計基準の 1 つです。ワイヤレスセンサーネットワークノードのハードウェア設計からネットワーク全体の各層のプロトコル設計は、省エネルギーを設計目標の1つとしており、ワイヤレスセンサーネットワークの寿命を可能な限り延ばします。
特定のアプリケーションの背景が異なるため、ワイヤレス センサー ネットワーク ノード用のハードウェア プラットフォームは国内外に多数あります。代表的なノードには、Mica シリーズ、Sensoria WINS、Toles、μAMPS シリーズ、XYZnode、Zabranet などがあります。実際、各プラットフォームの主な違いは、アプリケーションに関連するさまざまなプロセッサ、ワイヤレス通信プロトコル、およびさまざまなセンサーの使用です。一般的に使用されるワイヤレス通信プロトコルには、802.11b、802.15.4 ( ZigBee )、Bluetooth、UWB、およびカスタム プロトコルが含まれ、プロセッサは、4 ビット マイクロコントローラから32 ビットARMコアを搭載したハイエンド プロセッサまでさまざまです。ワイヤレス モジュールと統合されたシングル チップ マイクロコンピュータを使用する別のタイプのノードがあり、通常は WiseNet です。代表的なワイヤレス センサー ネットワーク ノードを表 1 に示します。
本稿では、ワイヤレスセンサーネットワークの概念と特徴、ワイヤレスセンサーネットワークノードの構成を紹介し、ノードの各コンポーネントユニットで一般的に使用されるさまざまなチップの特性を分析および比較することに焦点を当て、常に低消費電力をその1つとして考えています。比較の重要な基準。
2 一般的なワイヤレスセンサーネットワークノードの比較
現在、国内外の研究者がさまざまなワイヤレス センサー ネットワーク ノードを開発しています.実際、これらのノードのコンポーネントは似ていますが、アプリケーションの背景が異なり、ノードのパフォーマンスに対する要件も異なります.したがって、ハードウェア使用する部品が違う大きな違いです。
2.1 プロセッサユニット
プロセッサユニットはセンサーネットワークノードの中核であり、他のユニットとともにデータの収集、処理、送受信を完了します。EM6603 は、消費電力が非常に低い 4 ビット マイクロコントローラですが、処理能力も非常に限られています。バーカーリー大学が開発した Mica シリーズ ノードのほとんどは、Atmelのマイクロコントローラーを採用しています。その中で、Mica2 ノードは Atmel 拡張マイクロコントローラー ATmega128L を採用しています。マイクロコントローラーには、4 つのタイマー、4 KB の S RAM、128 KB のフラッシュ、および 4 KB の EEP ROMを含む豊富なオンチップ リソースがあり、ワイヤレス チップおよびセンサーのアクセスを容易にするためのUART、S PI、I2C 、JTAG インターフェイスがあります。低消費電力設計に便利な6つの省電力モード。このプロセッサを使用するもう 1 つの利点は次のとおりです。多くのコンパイラがあり、その中で GCC (WINAVR) は完全にフリーでオープンなソフトウェアです。上記の利点とMica2ノードの影響により、実際のワイヤレスセンサー設計で広く使用されています。しかし、低消費電力の観点からは、このチップは最良の選択ではありません。
表 1 に示すように、低消費電力に関しては、MSP430 F1xx MCUファミリは、1.8 V の動作電圧、わずか 1.1 μA のリアルタイム クロックスタンバイ電流消費、および実行モード電流の低さと業界最小の消費電流を提供します。 300 μA (1 MHz) の場合、スリープから通常動作までのウェイクアップ プロセス全体にかかる時間はわずか 6 μs です。PICシリーズのマイコンには、低消費電力の製品もあります。Toles ノードと ZebraNet ノードは、消費電力が非常に低い MSP430 シリーズのマイクロコントローラーを使用しています。大量のデータを扱う一部のアプリケーションでは、ハイエンド プロセッサも使用されます。たとえば、μAMPS1 ノードは StrongARM プロセッサ SA1110 を採用し、消費電力は 27 ～ 976 mW です。プロセッサは DVS 省エネをサポートしており、消費電力を約 450 mW 削減できます。ワイヤレス モジュールをオフにすると、消費電力を 300 mW 削減できます。μAMPS2で使用されているプロセッサはDSPです。XYZnode が使用するプロセッサは OKI 社の ARMTDMI コアを搭載した ML67Q5002 で、DFS (Dynamic Frequency Adjustment) もサポートしており、動作電流は 15 ～ 72 mA、周波数は 1.8 ～ 57.6 MHz です。
表 1 一般的なワイヤレス センサー ネットワーク ノード
プロセッサの観点から、ワイヤレス センサー ネットワーク ノードは基本的に 2 つのカテゴリに分けることができます。1 つのカテゴリは、ARM プロセッサに代表されるハイエンド プロセッサを使用します。このタイプのノードのエネルギー消費は、マイクロコントローラーのエネルギー消費よりもはるかに高く、ほとんどのノードは DVS (動的電圧スケーリング) や DFS (動的周波数スケーリング) などの省エネ戦略をサポートしていますが、処理能力もはるかに強力です。 、画像などのデータ量の多いサービスを伴うアプリケーションに適しています ; さらに、ゲートウェイノードとしてハイエンドプロセッサを使用することも良い選択です. 表 2 の最後の 3 つのプロセッサは ARM コアを搭載したプロセッサであり、それらの消費電力はローエンドのマイクロコントローラよりも大幅に高くなっています。もう 1 つのカテゴリは、ローエンドのマイクロコントローラーに代表されるノードです。このタイプのノードの処理能力は弱いですが、エネルギー消費電力も非常に小さいです。プロセッサを選択するときは、まず処理能力に対するシステムのニーズを考慮し、次に消費電力を考慮する必要があります。
表2 一般的な各種マイコンの性能比較
2.2 無線伝送技術とチップ
利用可能な伝送媒体には、空気、赤外線、レーザー、超音波などが含まれます。一般的に使用されるワイヤレス通信技術には、802.11b、802.15.4 (ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA などがあります。ユーザーが定義するこれらのチップは一般に表 3 に示すように、ISM のない周波数帯域で動作します。伝送媒体としてレーザーを使用すると、電磁波よりも消費電力が少なく安全です。短所は次のとおりです: 直線でしか伝送できない; 大気条件の影響を受けやすい; 伝送は指向性です. これらの欠点により、理想的な伝送媒体ではありません。赤外線の送信も指向性があり、距離も短く、アンテナも必要ありません。チップ 83F88S は、IrDA 規格に準拠したワイヤレス トランシーバー チップです。UWB には、送信信号の電力スペクトル密度が低い、システムの複雑さが低い、チャネル フェージングの影響を受けない、セキュリティが優れている、データ伝送速度が高い、測位精度が数センチメートルという利点がありますが、伝送距離がわずか 10 m 程度であるという欠点があります。隔壁の浸透が悪い。802.11b は消費電力が大きいため、広く使用されていません. Bluetooth は 2.4 GHz の周波数帯域で動作し、伝送速度は 10 Mbps に達する可能性があります. 欠点は、伝送距離が約 10 m しかないことです. 完全なプロトコルスタックは. 250 KB、ローエンドのプロセッサには適していません. 家族のパーソナルワイヤレスローカルエリアネットワークで使用されており、ワイヤレスセンサーネットワークでも使用されています. ZigBee と一般的な無線周波数チップは、ワイヤレス センサー ネットワークで最も広く使用されています。ZigBee は、短距離、低複雑性、低電力、低データ レート、低コストの双方向無線通信技術です. 完全なプロトコル スタックはわずか 32 KB であり、さまざまなデバイスに組み込むことができ、ジオロケーションをサポートします. 上記の特性により、ZigBee 技術がワイヤレス センサー ネットワークへの適用に非常に適していることがわかります。ZigBee プロトコルをサポートする現在市場に出回っているチップ メーカーには、Chipcon と Freescale Semiconductorがあります。同社は、Figure8 社も特別に ZigBee プロトコル スタックを開発しました。Chipcon の CC2420 チップは広く使用されており、Toles ノードと XYZ ノードの両方でこのチップが使用されています。Chipcon は、Figure8 によって開発された ZigBee プロトコルを含む完全な開発キットを提供しています。Freescale Semiconductor Company が提供する ZigBee の 2.4 GHz ワイヤレス伝送チップには、MC13191、MC13192、および MC13193 があり、同社はサポート開発キットも提供しています。
表3 無線センサーネットワークに適用される無線通信技術
通常のRFチップも最適で、通信プロトコルもカスタマイズ可能 代表的なMACプロトコルには、TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMACなどがあります。ルーティング プロトコルには、Gossiping、SPIN プロトコル、LEACH プロトコル、TE EN プロトコルなどがあります。性能、コスト、消費電力を考慮すると、RF M の TR1000 と Chipcon の CC1000 が理想的な選択肢です。TR1000は消費電力が少なく、CC1000は感度が高く、伝送距離が長いという特徴があります。WeC、Renee、および Mica ノードはすべて TR1000 チップを使用します; Mica2 は CC1000 チップを使用します; Mica3 は Chipcon Company の CC1020 チップを使用し、伝送速度は 153.6 kbps に達し、OOK、FSK および GFSK 変調モードをサポートします; Micaz ノードは CC2420 ZigBee チップを使用します。また、無線チップにはプロセッサ自体を内蔵するタイプもあり、例えば、CC2420をベースに51コアを集積したシングルチップマイコンCC2430、CC1000をベースに51コアを集積したシングルチップマイコンCC1010など、さらに性能を向上させたものがあります。チップの統合。WiseNet ノードは CC1010 チップを使用します。一般的な無線チップには Nordic の nRF905、nRF2401 などのシリーズのチップがありますが、消費電力が大きく、受信感度が低く、開発が難しいため、実際の無線センサー ネットワークで使用されることはほとんどありません。表 4 に示すように、一般的に使用されるワイヤレス チップの主なパラメータを比較します。
表 4 一般的に使用される無線チップの主なパラメータの比較
2.3 パワーモジュール
電池には多くの種類があり、電池のエネルギー貯蔵のサイズは、形状、活性イオンの拡散速度、および電極材料の選択などの要因に関連しています。ワイヤレスセンサーネットワークノードのバッテリーは一般的に交換が容易ではないため、バッテリーの選択は非常に重要であり、DC DCモジュールの効率も非常に重要です;さらに、自然のエネルギーも使用できますバッテリーのエネルギーを補います。
充電できるかどうかに応じて、バッテリーは充電式バッテリーと非充電式バッテリーに分けることができ、電極材料に応じて、バッテリーはニッケルクロム電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池、リチウム電池、リチウム電池に分けることができます。ポリマー電池など_ 一般に、非充電式電池は充電式電池よりもエネルギー密度が高いため、エネルギー供給源がない場合は、非充電式電池を選択する必要があります。充電式電池の中で、リチウム電池とリチウムポリマー電池はエネルギー密度が最も高いが、コストが比較的高く、毒性のない充電式電池はニッケルマンガン電池とリチウムポリマー電池だけです。一般的なバッテリーの性能パラメーターを表 5 に示します。ワイヤレス センサー ネットワーク ノードは通常、屋外で動作し、自然エネルギーを使用してバッテリー エネルギーを補充できます。自然界で利用可能なエネルギーには、太陽エネルギー、電磁エネルギー、振動エネルギー、核エネルギーなどがあります。充電式バッテリーの数には限りがあり、ほとんどの充電式バッテリーにはメモリー効果があるため、自然エネルギーを使用してもバッテリーを頻繁に充電することはできません。そうしないと、バッテリーの寿命が大幅に短くなります。
表 5 一般的な電池の性能パラメータ
2.4 センサーモジュール
温度や湿度、光、騒音、振動、磁場、加速度などの物理量を検出 できるセンサーにはさまざまな種類があります。米国のCross sbow 社は、マイカ ノードに基づく一連のセンサー ボードを開発しました. 使用されるセンサーには、フォトレジスタ Clairex CL94L、感温抵抗器 ERTJ1 VR 103J (パナソニック エレクトロニクス)、加速度センサー ADI AD XL202 、磁気センサーHoneywell HMC1002などがあります。SHTxx シリーズの温度および湿度センサーは、低消費電力モードをサポートし、データ収集後に自動的にスリープ モードに切り替えることができ、電流は 1μA 未満です。
センサー電源の電源回路設計は、センサーモジュールのエネルギー消費にとって非常に重要です。小さな電流 (数百 μA) で動作するセンサーの場合、プロセッサーの I/O ポートによって直接駆動できます。センサーを使用しない場合は、I/O ポートを入力モードとして設定します。このように、外部センサーにはエネルギー入力がないため、エネルギー消費はありません.たとえば、温度センサーDS18B20はこの方法を採用できます. 大電流で動作するセンサー モジュールの場合、I/O ポートはセンサーを直接駆動できず、通常、後段回路のエネルギー入力を制御するために電界効果トランジスタ (Irlm16402 など) が使用されます。複数の大電流センサーが接続されている場合、通常、電力制御を実現するために統合アナログスイッチチップが使用され、MAX4678 はそのようなチップです。
3 結論
アプリケーションの背景が異なるため、国内外に多くのハードウェア プラットフォームがあり、多くの無線通信技術が使用されています。このホワイト ペーパーでは、主に現在の一般的なワイヤレス センサー ネットワーク ハードウェア プラットフォームを要約し、一般的に使用されているプロセッサ、ワイヤレス チップ、ワイヤレス通信技術、センサー、および電源を分析および比較し、考慮される重要な比較要素の 1 つとして常に消費電力を取り上げます。ワイヤレス センサー ネットワーク ハードウェア プラットフォームの詳細な分析を通じて、わが国のワイヤレス センサー ネットワークの研究開発に積極的な役割を果たすことが期待されます。