1． 引言

　　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器結(jié)點(diǎn)組成的，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，其目的是協(xié)作地感知，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀測(cè)者。該技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代的美國(guó)，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成了傳感器技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)，跨越了計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機(jī)械、化學(xué)、生物、航天、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2-4]。美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最具有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)之一。

　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛機(jī)大量拋撒或人工固定布置在任意地點(diǎn)，即便在惡劣的溫度條件下，也能迅速組成自組織網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)傳遞出信息量豐富的信息。此過(guò)程中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)的研究就顯得至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及人類對(duì)高質(zhì)高效社會(huì)的進(jìn)一步追求，在原有基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代高新技術(shù)為依托，人們對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究不斷深入，研究成果也層出不窮。

　　本文的項(xiàng)目從工程技術(shù)和基礎(chǔ)理論兩個(gè)層面出發(fā)，重點(diǎn)對(duì)單個(gè)傳感器進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)，從整體上建立一個(gè)對(duì)環(huán)境具有普適性的通用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模型。特別在節(jié)點(diǎn)IP地址分配方法和能源供應(yīng)問(wèn)題上作出了改進(jìn)。

　　2． 系統(tǒng)構(gòu)成

　　整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器，Nios?II處理器，并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，射頻模塊，能源模塊以及外圍部件構(gòu)成。由傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息并采集數(shù)據(jù)，并交由AC/DC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器負(fù)責(zé)傳感節(jié)點(diǎn)的總體操作，處理本身采集的數(shù)據(jù)以及由其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)或控制信息；射頻模塊負(fù)責(zé)該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信，相互交換由匯聚節(jié)點(diǎn)或其他上層發(fā)來(lái)的控制信息和收發(fā)所采集的數(shù)據(jù)；擬用太陽(yáng)能電池陣列與節(jié)點(diǎn)本身所攜帶的微型電池供電。

　　2.1 Nios II處理器

　　Nios II系列32位RISC嵌入式處理器Nios II 嵌入式CPU支持32位指令集、32位數(shù)據(jù)線寬度、32個(gè)通用寄存器、32個(gè)外部中斷源、2GB尋址空間，包含高達(dá)256個(gè)用戶自定義的 CPU 定制指令。其可選的片上 JTAG 調(diào)試模塊是基于邊界測(cè)試的調(diào)試邏輯，支持硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)觸發(fā)和片外片內(nèi)的調(diào)試跟蹤，具有的完全可定制特性、性能、較低的產(chǎn)品和實(shí)施成本、易用性、適應(yīng)性和不會(huì)過(guò)時(shí)。由于處理器是軟核形式，具有很大的靈活性，可以在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行選擇，達(dá)到性能、特性和成本目標(biāo)。相比于市場(chǎng)的同類產(chǎn)品它具有非常多的優(yōu)勢(shì)。圖二為Nios II的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核設(shè)計(jì)框圖

　　●高靈活性

　　Nios II開(kāi)發(fā)包含有一套通用外設(shè)和接口庫(kù)，可以自己定制外設(shè)，使用SOPC Builder，可以在Altera FPGA中，組合實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有處理器無(wú)法達(dá)到的嵌入式處理器配置，每次都能得到所需的結(jié)果。

　　●豐富的外設(shè)、存儲(chǔ)器和接口。

　　功能接口包含： 外部三態(tài)橋接外部SRAM接口, UARTLCD接口, 用戶邏輯接口,JTAG UARTC ,并行I/O,S8900 10Base-T接口, 系統(tǒng)ID,EPCS串行閃存控制器片內(nèi)ROM, 直接存儲(chǔ)器通道(DMA),緊湊閃存接口(CFI), 串行外設(shè)接口(SPI),SDR SDRAM ,片內(nèi)RAM,LAN 91C111 10/100 ,有源串行存儲(chǔ)器接口,以太網(wǎng)接口PCI,PCI DDR SDRAM CAN RNGUSB DDR2 SDRAM DES 16550 UARTRSA SHA-1 I2C10/100/1000 Ethernet MAC 浮點(diǎn)單元

　　●高速的數(shù)據(jù)處理能力

　　Nios II/s（快速）擁有5級(jí)流水線，動(dòng)態(tài)支路預(yù)測(cè)，可設(shè)置指令及數(shù)據(jù)緩沖，動(dòng)態(tài)支路預(yù)測(cè)，Nios II處理器定制指令擴(kuò)展了CPU指令集，提高對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的軟件運(yùn)行速度，從而能夠大大提高系統(tǒng)性能。采用定制指令可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)處理器無(wú)法達(dá)到的最佳系統(tǒng)性能。

　　Nios II系列處理器支持多達(dá)256條的定制指令，加速通常由軟件實(shí)現(xiàn)的邏輯和復(fù)雜數(shù)學(xué)算法支持固定和可變周期操作，其向?qū)Чδ軐⒂脩暨壿嬜鰹槎ㄖ浦噶钶斎胂到y(tǒng)，自動(dòng)生成便于在開(kāi)發(fā)人員代碼中使用的軟件宏功能。

　　●Avalon交換架構(gòu)

　　Avalon交換架構(gòu)的同時(shí)多主機(jī)體系結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)帶寬，消除了帶寬瓶頸（圖4）。采用Avalon交換架構(gòu)，每個(gè)總線主機(jī)均有自己的專用互聯(lián)，總線主機(jī)只需搶占共享從機(jī)，而不是總線本身。每當(dāng)系統(tǒng)加入模塊或者外設(shè)接入優(yōu)先權(quán)改變時(shí)，SOPC Builder利用最少的FPGA資源，產(chǎn)生新的最佳Avalon交換架構(gòu)。Avalon交換架構(gòu)支持多種系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如單主機(jī)/多主機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外設(shè)與性能最佳數(shù)據(jù)通道之間的無(wú)縫傳輸。