在文献［Mateusz07］中，研究者设计出了一种称为CargoNet的节点，目的是缩小无线传感器网络和射频识别（Radio Frequency Identification， RFID）之间的差距。CargoNet最初的目标是面向供应链管理与资产安全提供货运箱级的环境监测服务，它采用定制设计电路以降低功耗和成本。

CargoNet节点采用了全新的设计观念，称之为准被动唤醒（quasi?passive wake?up），实现了异步、多模式的唤醒机制。此机制可以将节点从睡眠模式中唤醒，然后执行超低功耗的操作。CargoNet用于监测货运箱的内部状况，平均节点功耗低于25μW。

CargoNet依靠外部刺激信号唤醒传感器节点。这个想法其实并不新奇，因为其他的相关系统也对外部唤醒机制进行过探索，但是CargoNet的功耗更低。

例如，美国西北大学的研究者提出过采用类似唤醒策略进行振动监测与裂纹探测的方案。

他们使用地震检波器作为输入传感器，在唤醒后监测非周期性的撞击以确保建筑物结构的安全。虽然它们的模拟前端平均功耗仅为16?5μW，但是由于处理过程是在Mica2节点上执行的，因此平均能耗预算增加了105μW。

再如，T?Mote［Tmote06］也带有比较器，用于产生因声音或加速刺激引起的中断，但是由于使用了动态加速度仪和麦克风放大器，57因此所需能耗较高（在mW范围内）。

下面先介绍一下RFID的一般概念。

RFID用于取代在货物运输和分发时所使用的传统条形码技术。传统的条形码扫描要求扫描器与标记物品保持同一直线，因此操作人员必须将贴有标签的物品展平，才能确保成功读取。扫描器与条形码之间的距离要非常近（通常为几厘米）。此外，这些条形码上所承载的信息很少。

然而，RFID使用读取器读取附着在产品上的标签。读取器与标签之间的距离可以从几英寸甚至到数十英尺（其范围取决于所使用的射频）。而且，读取器可以通过非直线光信号读取标签数据，该信号能够远距离传播或穿透非导材料，这样就可以在无人参与的情况下进行识别。传统的条形码是打印在表面上的，而且不可更改。但是RFID标签上的数据是可以更改的，因为它们是可以靠外部刺激改变状态的电子电路。

最近，有研究者提出了“主动式RFID”这一概念。它实际上是一种带有电池和CPU的特殊传感器装置，可以为供应链提供更好的“可视性”。主动式RFID可以准确地收集货物在运输过程中所处的环境状况的数据，能够更好地进行风险管理，同时保持灵活性，可以在到达目的地之前检测出可能的货物损坏。

CargoNet节点是一类“主动式RFID”。它的准被动唤醒基于以下方面：外部刺激实际上可以唤醒节点，甚至可以为CPU提供能量。

CargoNet可以使传感器对重复的刺激不敏感，这样可以大大降低冗余唤醒的发生，从而节省能量。准被动唤醒允许一个CargoNet RFID 标签同时且持续对多个传感器的状态进行异常监测，但不需要消耗过多能量。

图2?7是一个CargoNet主动式RFID标签与RFID读取器的系统框图。它的核心硬件包括MSP430微控制器、一个实时时钟(Real?Time Clock, RTC)和CC2500 2?4GHz无线模块等。MSP430F135基于Flash的微控制器是由德州仪器（TI）生产的。进入睡眠状态时，它有一个小于0?1μA的待机电流。

CargoNet标签有一块容量为16KB的内置闪存。这是一个很小的存储器，但是它对于大多数的应用来说已经足够，原因如下：

1)它的设计允许存储器仅用于数据记录而不必关注程序存储。它的操作系统（OS）只占用极小的空间。

2)我们通常只需要记录非寻常事件（如极端温度和明显震动）。例程代码只占用小于8KB的空间。假设潜在威胁或显著的事件每天只发生一次并且每次需要10个字节记录，那么闪存要使用两年才会装满数据。

如果开发者需要测试很长的程序，或者在某些情况下需要存储节点中的更多细节信息，CargoNet允许标签附带一个外置存储器（例如，Atmel的 AT45DB081B 可以作为附加存储器，它有8 Mbits的容量和2μA的待机电流）。

MSP430内部有一个快速启动的高频时钟振荡器。开发者也可以采用外部时钟，如低频表晶。CargoNet建议采用单独的Philips PCF8563 RTC芯片，其计时电流很低（只有0?35μA）。RTC使得主动式RFID标签可以通过计算离上一个检查点的时间来定位发生损坏的地点。

RTC还可以发出频率一分钟一次的对温度和湿度传感器的轮询序列。

如图2?7所示，该主动式RFID标签使用Chipcon公司CC2500与RFID读取/查询器进行无线通信。不同于传统的RFID系统，CC2500无线通信模块是完全双向的，除了将标签数据发送给读取器，主动式RFID标签还可以接收来自RFID读取器的指令。59该特点弥补了主动式RFID和无线传感器网络之间的空白，这是因为无线传感器网络中需要节点之间的双向通信。这种双向无线通信的功能在应用中是很需要的，比如可以进行时钟同步、记录邻居的身份以及验证传感器读数的有效性。

当基站（即图2?7中的RFID读取器/查询器）向主动式RFID标签发送数据查询请求，以进行重大事件（如高温或震动）的检查、数据转储或调整标签参数时，它会使用无线突发信号。CargoNet节点在接收到一个300 MHz的无线突发信号后，由于该幅度超过了可以动态调整的阈值，节点会被准被动唤醒。

应当注意的是，CargoNet主动式RFID标签一般不会快速地轮询或放大不断变化的环境刺激，这样做的目的是节约能量。相反，它只需要通过“准被动唤醒”技术将环境刺激与阈值进行比较。使用的比较器是基于Linear Technology的LTC1540芯片的，由于它是非线性的D类操作，通常只有840nW的静态功耗［Linear04］。

但对于一些变化速度不够快的刺激，比如温度和湿度，它们可能达不到“唤醒阈值”。对于这种情况，主动式RFID标签将对刺激进行轮询。

主动式RFID标签采用了12位精度的序列对Sensirion SHT11温度/湿度传感器进行轮询，轮询的时间大约为55ms。如果一分钟轮询一次，相应的占空比仅为0?092％，平均功耗为1?5μW。如此低的占空比轮询根本不会影响标签的能量预算。

如果主动式RFID标签需要迅速唤醒以实现快速的刺激响应，例如温度事件，通过PTC热敏电阻或其他热能传感器就可以适应对温度的准被动唤醒，它会表现出高阻抗和强烈的特征响应。

CargoNet系统还采用了以下两个传感器：射频唤醒接收器和振动测量计。它们带有加强或整合微弱信号的线性放大器。

表2-8列出了设备和货物在运输时，CargoNet传感器采集到的一系列测量值。

通常人们将RFID和节点区分得很清楚。但是CargoNet设计了一个设备可以同时作为RFID标签和传感器节点。它可以将环境的数据收集到一个“标签”中，然后通过RFID读取器远程读取这些数据。在这里使用主动式RFID是因为CargoNet的RFID标签被电池驱动，可以表现出接近智能传感器节点的良好性能。

下面将更加详细地介绍CargoNet的“准被动唤醒”策略。图2-8显示了其基本的唤醒过程。在一个主动式RFID标签接收到一个刺激信号后，就把该信号和阈值进行比较，如果刺激强烈到足以受到重视，标签就会唤醒整个系统。


 

上述准被动唤醒机制的实现需要以下几个条件：

1)有一个始终开启的电路，即模拟前端，功耗应约为mW数量级或更少。在mV级信号情况下，需要nW级的比较器（如LTC1540）将刺激提升到逻辑层并且唤醒主动式RFID标签。

2)在唤醒时间方面，主动式RFID标签必须有足够快的唤醒速度才能充分地处理收到的刺激。MSP430仅需6μs的启动时间，这是很理想的。

3)标签必须保持很低的占空比。这样能够减少唤醒的次数以及缩短活动状态的时间。

除了与RFID读取器进行高频、快速、远距离的无线数据通信外，CargoNet主动式RFID标签还有一个较低频、短距离的信号信道，用于查询和传递位置信息。这使其与其他进行位置信息检测的商用RFID标签相兼容。

由于低频无线连接的距离短，传递到标签的射频能量足以将其唤醒，然后高频的射频被打开。如果使用CC2500，则消耗最多20mA电流。

问题与练习

2?1多项选择题

（1）一个传感器节点包括()。

A?模拟/数字传感器芯片
B?无线收发器
C? CPU/存储器
D?以上全部选项

（2）模拟传感器与数字传感器的区别不包括以下哪些方面？()

A?模拟传感器需要标准的芯片对芯片通信协议。
B?模拟传感器需要补偿与线性化，而数字传感器不需要。
C?从CPU接口的角度考虑，数字传感器优于模拟传感器。
D?数字传感器中不需要ADC。

（3）在一个传感器网络中，节点中的能量主要被消耗在()：

A?模拟传感部分
B? CPU对信号处理的本地计算
C?无线多跳通信
D?唤醒/睡眠切换

（4）关于传感器节点的CPU，下面哪项叙述是不正确的？()

A?普通台式或者便携式计算机CPU的运算能力远高于传感器节点所采用的CPU，传感器节点CPU通常被称为微处理器或微控制器。
B?传感器节点CPU的工作频率通常小于100MHz。
C?当CPU处于空闲或睡眠状态时，不消耗能量。
D? CPU的主要任务是执行通信协议以及在本地处理数据。

（5）关于传感器节点的存储器，下面哪项叙述是不正确的？()

A?传感器节点只需要少量的数据存储和程序存储器。
B?如果数据需要存储较长时间，那么用闪存替代SRAM更加高效。
C?程序的执行发生在闪存中，而不是在SRAM中。
D?目前，SRAM的容量通常小于1MB。

（6）传感器节点的无线通信有以下哪些特征？()

A?低功耗无线通信在接收状态下比发射状态下消耗更多能量。
B?无线通信系统的发射距离取决于几个关键因素，最直接的因素是传输功耗。
C?目前市面上大部分射频收发器采用基于VCO的无线通信体系结构，能够以各种不同的载波频率通信。
D?在调幅(AM)方式下编码和解码最为方便，并且不易受噪声影响。

（7）对于发送方，以下哪些操作是不需要的？()

A?收到接收方应答后再发送下一个分组。
B?编码时增加错误检测位。
C?在MAC协议的协助下，等待无冲突发生。
D?将感知数据封装成不同分组。

（8）将无线通信与CPU速率解耦的原因是：()

A?当微处理器的速率与数据传输速率耦合时，两个芯片都不会在最佳工作点运行。
B?无线通信芯片在其传输速率达到最大值时效率最高，如果与CPU的处理速率耦合，那么就不能达到最高效率。
C?无线通信与CPU是完全不同的芯片，在大部分情况下都需要解耦。
D? A和B。

（9）Spec优于Mica的原因是：()

A?Mica节点被已有的片间接口限制了性能。开发定制的ASIC能够去除商用模块所带来的人工限制。
B?通过使用定制的硅片，可以实现对关键通信原语的数量级效率的提升。
C? A和B。
D?与Mica相比，Spec的传输距离更长。

（10）关于Telos节点的叙述，以下哪些是不正确的？（）

A?Telos采用蓝牙通信标准（即IEEE 802?15），更适合于短距离无线通信。
B?Telos采用MSP430微处理器，在睡眠和活动状态下功耗最低。
C?Telos没有采用硅片集成设计，而是采用带硬件加速引擎的COTS模块构建了一个无性能损失的高能效系统。
D? Telos通过板载USB进行程序下载(使用引导加载器或者JTAG)以及供电。

2.2上网了解太阳能电池的特点和设计规则。

2.3“传感器”（sensors）和“传感器节点”（sensor motes）之间有什么区别？

2.4阅读文献［Mateusz07］，详细了解RFID是如何集成到CargoNet传感器节点的。

2.5与其他节点（比如Mica）相比，Telos节点有什么优点？