引言

无线传感器网络集中了传感器技术、无线通信技术和嵌入式计算技术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，可获得感知对象的准确信息。无线传感器网络以自组织的方式组网，具有快速展开、抗毁性强等一系列特点 [1]。无线传感器网络需要较低的功率消耗，以使节点拥有较长的寿命。UWB超宽带技术具有功耗低、对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、有低截获能力、系统复杂度低、能提供cm级定位精度等优点。这些优点使得UWB技术和无线传感器网络技术可以有机地结合一起。本文给出了基于UWB的无线传感器网络的设计，能满足低功耗、低硬件复杂度的要求。

1 UWB技术及其优势

1.1 UWB简介

超宽带（UltraWideband，UWB）无线电[2]是对拥有宽带宽的无线系统的通称。美国联邦通信委员会给出的定义是：带宽超过其中心频率的1/4，或者射频带宽超过500 MHz的无线系统。UWB技术最基本的工作原理是： 发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备的复杂性。UWB技术采用脉冲调制，单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽为0.1～1.5 ns，重复周期为25～1 000 ns。

1.2 UWB技术的主要优点

① 低功耗。超宽带技术采用占空比很小（几十分之一）的窄脉冲进行通信，发射脉冲持续时间远小于脉冲重复周期，在实现同样传输速率时，功率消耗仅有传统技术的1/10～1/100。对于低功耗要求的无线传感器网络，UWB技术无疑是比较理想的通信方式。

② 硬件易实现。UWB通信系统无需中频处理，采用几乎全数字硬件结构，是典型的零中频处理系统。全数字结构非常适合软件无线电方式在通信系统中的应用，使得UWB通信系统可以做到低功耗、低成本、易维护，而且容易向COMS芯片集成。

③ 抗干扰性强。与扩频系统相比，UWB系统占用更宽的信号带宽，具有更低的平均功率谱和较高的瞬时功率；在扩频处理增益和抗截获/探测概率两项重要性能指标上，均远高于常规扩频通信系统。

④ 高传输速率。目前FCC开放的频段是3.1～10.6 GHz，故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，较为平坦，具有很强的抗窄带干扰能力；极宽的频带加上室内多径影响的消除，可以实现较高的数据传输速率，最高数据传输速度可达到几千Mbps。在一些传感器网络应用中，采用UWB技术可以满足传输速率高的要求。

2 无线传感器网络的实现

2.1 系统结构

图1为一个典型的无线传感器网络的体系结构图。整个网络由若干个无线传感器节点、一个基站和监控主机等组成。其中，无线传感器节点分布于所要监测的区域，负责对温度的采集和预处理，并通过无线信号发射出去；基站负责收集数据，并通过无线链路传输给监控主机；监控主机负责对数据进行综合处理，也可以对传感器网络发出指令。

图1 无线传感器网络体系结构

2.2 节点设计

节点一般由数据采集模块、数据处理模块、无线数据通信模块、能量供应模块4部分组成。数据采集模块由传感器和A/D转换器组成，负责监测区域内信息的采集和数据转换；数据处理模块由微控制器和存储器组成，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线数据通信模块由无线/收发器等组成，负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块由微型电池和能量转换器组成，负责为系统提供能量。

传感器节点采用图2所示的体系结构。数据处理模块采用ATmega128L单片机，无线数据通信模块采用UWB收/发机，数据采集模块采用体积小、功耗低、外围电路简单的传感器，能量供应模块选用CR2032。

图2 节点体系结构

ATmega128L[3]采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128 KB程序存储器、4 KB数据存储器以及可外扩到64 KB和4 KB的EEPROM。ATmega128L有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI等接口。为了适应体积小、功耗低、外围电路简单的要求，数据采集模块采用不需要信号调理电路的数字式传感器，例如Maxim公司的一线式数字温度计DS18B20就是符合要求的传感器。CR2032工作输出电压为2～3 V，在＞2.8 V的条件下能提供大约200 mA·h的能量。

2.3 收/发机的设计

与传统的无线收发机结构相比，UWB收/发机的结构相对简单。UWB系统直接通过脉冲调制发送信号而无需传统的中频处理单元，所以UWB收/发系统可以采用软件无线电的全数字硬件接收结构，实现简单；同时具有通信系统灵活和可扩展等特点，数字信号处理部分还可以通过软件动态加载实现传输速率、编码方式、功耗等的可配置。这种灵活性正是功率受限的无线传感器网络所必需的。

UWB收/发机结构如图3所示。在发送过程中，信号由数字信号处理器完成复杂的编码、交织处理，数字信号通过D/A转换后经脉冲成形、放大，发射出去。同样，在接收过程中，脉冲信号通过天线匹配、滤波、放大后直接进行A/D转换，将复杂的匹配滤波、分集接收、均衡、解交织、译码等基带处理交给数字信号处理器完成。

图3 UWB收/发机结构

因为没有复杂的射频、中频变换，UWB收/发机模拟信号处理可以简化，整个系统通过一个基带信号处理芯片、一个射频信号处理芯片和UWB天线，即可简捷地完成整个UWB信号收发。

2.4 软件设计

传感器节点上的软件是无线传感器网络进行有效工作的关键，负责完成现场数据的采集，以及通过无线通信模块将采集数据包无线传送。节点遵循睡眠—被唤醒—正常工作的工作模式。

无线传感器网络首先要考虑低功耗性，尽可能延长网络生命周期。路由协议保证节点间的高效通信，维护路径的连通性。ZigBee协议定义了网络的网络层，是种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。对于MAC层，由于能量消耗主要表现在空闲监听、接收不必要的数据和碰撞重传等，因此采用了基于CSMA的随机访问协议和“侦听/睡眠”交替的无线信道侦听机制，可以降低能量的消耗。

结语

UWB技术和无线传感器网络是两个热点研究课题，两者有机的结合，可以促进无线传感器网络应用的发展。基于UWB的无线传感器网络在功耗、数据传输速率、抗干扰性、安全性、系统成本和信号隐蔽性等方面有明显的优势。UWB技术应用于无线传感器网络将成为一个重要研究方向和发展方向。