论文阅读：NetBrick: a high-performance, low-power hardware platform for wireless and hybrid sensor ne...

摘要：

最近，基于无线传感器网络（WSN）的部署的数量和复杂性的增加，证明了传统硬件平台的局限性在于，这些硬件平台只能在有限的时间内在受控环境（实验室）中工作。

对高性能，低功耗，灵活且可扩展的硬件平台的需求，使其能够在现实世界（可能是恶劣的环境）中工作，这促使我们设计和开发NetBrick平台。

拟议平台的新颖性和相较于其他现有的硬件平台的优势位于：

• 板级的灵活性（组成板的每个模块均可通过软件启用/禁用）
• 网络级的灵活性（NetBrick固有地允许创建无线，有线和混合网络）
• 由于采用超低功耗的Cortex M3架构，因此32位微处理器以非常合理的功耗保证了高性能
• 电路板模块的细粒度能量管理（每个模块都提供有关其功耗的信息），因此允许设计人员定义高级能量管理策略。

背景/问题：

用于无线传感器网络（WSN）的新硬件平台的设计可能是在社区中受到较少关注的一个方面，这些平台在架构，可用功能，电路板的性能和功耗方面存在很大差异。

可靠的应用程序和实际部署需要以高性能为特征的硬件平台，并且可能还暴露出自适应频率采样功能，低功耗，灵活性和可扩展性以及对高效节能机制的支持。这些硬件平台还必须能够在现实世界的恶劣环境中工作多年，因此必须坚固，易于维护，并能够在可能的情况下预测故障的发生。

现实世界的部署给WSN设计设置了新的限制，并明显证明了传统硬件平台的局限性，其主要目的是以非常有限的资源为代价将功耗降至最低。

我们在某些部署中遇到了这些硬件局限性。

解决方法：

考虑到所有部署问题和约束，我们决定设计一个新颖，灵活，高性能，低功耗的硬件平台NetBrick。

该平台在多个方面克服了其他现成平台带来的限制：

• 灵活性
• 高性能/功耗之间的权衡
• 细粒度的能源管理

具体实现：

灵活性必须在两个不同的级别上实现：

• 在板级，NetBrick通过选择性地打开和关闭除微控制器之外的所有模块来利用其模块化体系结构。每个模块都可以在设计阶段（在设计专用硬件时仅考虑所需的模块电子设备）和运行时启用/禁用，以更改已部署系统的行为。设计人员和操作人员可以干预应用程序硬件，以对NetBrick进行精细的能源管理。

• 在网络层，NetBrick的灵活性在于可以本地创建无线，有线或混合网络。实际上，NetBrick板具有三个不同的网络模块：基于ZigBee的短距离无线电，远程UMTS调制解调器和CAN总线接口。这三个模块可以共同用于创建复杂的网络拓扑。
  

  
  图1显示了三个网络拓扑示例：

• 在完整的无线网络中（请参见图1a），所有NetBrick单元都依赖ZigBee协议在它们与网关之间进行通信。

• 在有线网络中（参见图1b），NetBrick通过使用CAN模块通过现场总线连接。
  -最后，在图1c中，提出了一种混合无线有线拓扑，这里的设备同时利用ZigBee无线电模块和NetBrick板的CAN总线接口。性能和低功耗是嵌入式系统设计和WSN硬件平台的两个相对的目标。

NetBrick由五个功能块组成：微控制器，外部存储器，网络模块，板载传感器和能源管理模块。