应用于无线传感器网络的低功耗微处理器设计

   无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。

    无线传感器网络作为信息领域的一个全新的方向，已经引起了学术界和工业界的广泛关注[i]。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校（UC/Berkeley）和英特尔公司（Intel）联合成立的“智能尘埃(Smart Dust)”实验室[ii]，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统(Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter)，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1998年开始到2001年结束，受到了美国国防预先研究计划局（DARPA：The Defense Advanced Research Projects Agency）的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工作，如：NEST(Network Embedded Systems Technology)[iii]、WEBS(Wireless Embeded system)[iv]、BARWAN (Bay Area Research Wireless Access Network)[v]、BWRC(Berkeley Wireless Research Center)[vi]等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。

    美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校（UCLA）的CENS（Center for Embedded Networked Sensing)实验室[vii]、WINS(Wireless Integrated Network Sensors)实验室[viii]、NESL（Networked and Embedded Systems Laboratory）实验室[ix]、LECS（Laboratory for Embedded Collaborative Systems）实验室[x]、IRL（Internet Research Lab)[xi]等。另外，麻省理工学院（MIT）获得了ARPA的支持，从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）协议也是出自MIT[xii,xiii]；奥本大学（Auburn University）也获得DARPA支持，从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制[xiv]； 宾汉顿大学（Binghamton University）计算机系统研究实验室在移动自组织网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作[xv]；州立克利夫兰大学（俄亥俄州）（Cleveland State University, Ohio –CSU Ohio）的移动计算实验室在基于IP的移动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究[xvi]。另外，北亚利桑那大学（Northern Arizona University）的无线网络研究实验室（Wireless Network Research Lab, WNRL)[xvii]、莱斯大学（Rice University）

    多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组[xviii]；斯坦福（Stanford）大学的无线传感器网络实验室[xix]、新泽西（New Jersey）州立大学的无线传感器网络实验室[xx]、伊利诺伊大学厄本那－香槟分校（UIUC）的TIMELY实验室[xxi]、南加州大学的RESL（The Robotic Embedded Systems Laboratory）实验室[xxii]、佛蒙特大学(University of Vermont)的无线自组织网络实验室[xxiii]、西密西根大学（Western Michigan University）的无线传感器网络实验室[xxiv]。此外新加坡国立大学（NUS）的无线传感器网络实验室[xxv]等也有关于无线传感器网络方面的研究。

    国内在无线传感器网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。中科院上海微系统所[xxvi]凭借其在微系统和微型机电系统（MEMS1）技术方面良好的基础，自从1998年就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。他们的很多工作都是与CDMA2和GPS3技术相关，从某种程度上说已经超越了无线传感器网络技术；中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”[xxvii]，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院[xxviii]于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作。从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外落后，在点上的研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少。

    由于无线传感器网络的硬件系统主要包括传感器、处理和通信三个部分，跨越多个领域，而且国际上对无线传感网络领域的研究也只有短短的几年时间，现有的绝大部分研究和设计都是各领域的成熟模块的板级集成，并没有使用专用的处理芯片，在系统功耗、芯片面积、节点面积、处理能力、程序空间、数据空间等方面都受到了极大的限制。目前的工作有必要从无线传感网络应用的实际需求出发，开发出专用的核心片上系统芯片，并进一步集成传感器、射频通信、功耗管理及其他专用功能，从而满足无线传感网络的各种应用需求。中科院计算所的工作就是在此基础上展开的，目的是通过对以上各种无线传感器网络及节点的详尽研究，设计出具有自主知识产权的无线传感器网络微处理器芯片和节点，进一步组建无线传感器网络。

2 无线传感网络微处理器芯片

    无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制，解决了成本问题，通过传感器技术、计算技术和无线通信技术的融合，大大缩短了人和自然之间的距离。电源效率是无线传感网络节点设计考虑的关键因素。因为如果必须时常更换电池（例如每周或每月），那么相关的各种成本便会超过它相对有线网络节省的成本。因此，电池必须具有较长的寿命（通常1-5年）。此外，由于无线传感器网络的理念是“随时随地无线”和“随时随地感知”，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。对传感器节点来说，很多时候即使采用AA电池也会超出体积要求，因此最好能选择纽扣式电池供电。但在特定的应用背景下，直接使用现有的芯片或者现在市场上已经存在的系统根本不能满足未来千变万化纷繁复杂的应用要求，因此我们有必要在具有自主知识产权的专用处理芯片的开发、软硬件系统的研制方面开展工作。

    微处理器芯片是无线传感器网络节点的核心部件。世界半导体贸易统计数据蓝皮书中的统计报告显示，2001年英特尔、AMD、IBM、Motorola等四家芯片巨头生产的通用处理器按片数销售量计算仅占处理器市场份额的6%，余下的94%，即50亿片芯片均为嵌入式微处理器 。统计数字表明，平均每个美国家庭拥有大约60片嵌入式处理器。目前，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个系列，国内主要市场被国外产品占领。无线传感网络对嵌入式处理器提出了功耗、面积、专用接口等诸多新的需求，现有的微处理器芯片开始显得捉襟见肘，应用呼唤用于无线传感器网络的专用的微处理器芯片。因应这一形势，我们针对大部分嵌入式处理器的特点，面向无线传感网络的具体应用，开始研发具有极低功耗的微处理器芯片。

3 潜在市场分析

    无线传感器网络存在着巨大的商业前景，也开始成为商家争相投资的对象，并且涌现出了很多专门从事无线传感器网络及相关产业的公司。其中首推Crossbow公司[xxix]和DUST公司[xxx]，它们都是由加州大学伯克利分校技术发展而来。前者主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用承接定制相应无线传感器网络节点和应用方案；后者主要提供了可靠的、可管理的和易于安装的SmartMesh? [xxxi]传感器互联方案，该网络方案被Red Herring组织评为2004年度TOP100发明奖。Ember公司[xxxii]提供了与IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的射频芯片及相应的软件和开发工具的服务。Luna iMonitoring公司[xxxiii]主要提供关于压力、液位、电量等无线智能监测技术及相应的硬件设备。MicroStrain公司[xxxiv]基于无线传感器网络技术提供了在航空航天、国防、汽车电子、城市工程、生物制造等方