摘  要： 針對磁阻車輛檢測器的功耗進(jìn)行分析,，采用優(yōu)化休眠降耗法,、降頻降耗法兩種低功耗方案，有效降低了檢測器功率,。
關(guān)鍵詞： 休眠降耗法,；降頻降耗法；磁阻車輛檢測器,；ZigBee

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，城市交通問題越來越嚴(yán)重，交通擁堵,、交通事故頻發(fā)是影響城市交通安全運(yùn)行的主要因素,。利用車輛檢測技術(shù)，對車輛進(jìn)行引導(dǎo),、疏導(dǎo)交通流,，合理利用現(xiàn)有的道路資源控制交通流，可有效減少交通擁堵與交通事故的發(fā)生,。
    車輛檢測器是檢測交通流的主要部件,。當(dāng)車輛通過檢測器時，車輛影響地磁場在檢測器周圍的磁力線分布,。磁阻車輛檢測器檢測周圍磁場變化,，根據(jù)磁場變化檢測車輛的信息。通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心,，通過車流量信息控制匝道口的開放與關(guān)閉,，實(shí)現(xiàn)交通流的控制。車輛檢測器埋于地下,，車輛檢測器的使用壽命問題是影響系統(tǒng)推廣的主要因素,，因此實(shí)現(xiàn)低功耗、長壽命是實(shí)現(xiàn)車輛檢測器系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的必要條件,。
    為了延長電池供電系統(tǒng)工作壽命,，常見的方法有增加電池容量和降低系統(tǒng)功耗[1]。要增加電池容量就意味著電池體積的增加,，導(dǎo)致了傳感器系統(tǒng)體積龐大,、安裝不便,，不利于工程施工。因此,，降低系統(tǒng)功耗是目前國際,、國內(nèi)研究的主要方向。常用的解決方案是利用定時喚醒機(jī)制,，但喚醒的時間間隔不能過長,，否則傳感器不能及時響應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的發(fā)生,。因此不論有無讀取信息需求,，系統(tǒng)都要進(jìn)行定時查詢，造成能量消耗,，另外定時喚醒需要時鐘電路工作，這意味著MCU不能進(jìn)入徹底休眠狀態(tài),，導(dǎo)致定時喚醒機(jī)制不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果[2],。本文針對這一問題，引入中斷喚醒機(jī)制(休眠降耗法),、降頻降耗方式為節(jié)能提供有效途徑,，并對這幾種方法的可行性進(jìn)行分析，同時利用低功耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,，將系統(tǒng)功率消耗降至最低,。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低復(fù)雜度,、低數(shù)據(jù)傳輸速率,、近距離、低成本的雙向無線通信技術(shù),，適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,，可以嵌入到各種設(shè)備中，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛檢測數(shù)據(jù)傳輸,，具有低成本,、低功耗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[3],。
1 系統(tǒng)功耗分析
1.1 系統(tǒng)組成
    車輛檢測器主要由傳感器,、信號調(diào)理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)和中央控制器組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    車輛檢測器埋于路面之下，以磁阻傳感器感應(yīng)車輛通過,，產(chǎn)生微弱電壓信號,，電壓信號經(jīng)過處理后,，轉(zhuǎn)換為微控制器所需的中斷信號，微處理器檢測中斷信號產(chǎn)生時刻t,，與車輛通過傳感器兩個不同車軸產(chǎn)生中斷信號的時間間隔Δt,，根據(jù)兩個參數(shù)可以計(jì)算出車輛軸距與車速等信息。
1.2 系統(tǒng)消耗功率分析
    系統(tǒng)消耗的功率主要集中在信號調(diào)理,、微控制器,、ZigBee無線收發(fā)三部分，表1為影響系統(tǒng)功耗因素列表,。

1.2.1信號調(diào)理
    信號調(diào)理模塊的功率消耗主要集中在放大器部分[4],，放大器將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，根據(jù)信號的波動強(qiáng)度調(diào)節(jié)放大倍數(shù),，使得輸出較為穩(wěn)定,。放大級數(shù)越多，工作頻率越高,；而工作電流越大,，消耗功率越大。因此當(dāng)一級放大可以滿足放大要求時,，采用一級放大方式,，減少放大級數(shù)；選擇低供電電壓,、低噪聲,、低輸入偏置電流及低靜態(tài)電流放大器可有效降低放大器功耗。
1.2.2 微控制器
    微控制器為系統(tǒng)控制的核心,，在不同工作頻率時,，消耗的功率不同。數(shù)字電路消耗功率主要包括動態(tài)功率與靜態(tài)功率,。靜態(tài)為“0”或“1”的恒定狀態(tài),，即當(dāng)電路狀態(tài)沒有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)(保持高電平或低電平)時，電路功耗屬于靜態(tài)功耗,；而動態(tài)為“0”“1”的跳變狀態(tài),，即電路翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時，產(chǎn)生的功耗為動態(tài)功耗[5],，數(shù)字電路總功耗P如下式所示：

式中：VDD為工作電源電壓,；IDD為靜態(tài)時由電源流向電路內(nèi)部的電流；ITC為脈沖電流的時間平均值,；f為工作頻率,；CL為電路輸出端的負(fù)載電容。
    由于工作頻率f,、工作電壓VDD及CL對總功耗有較大的影響,，因此,，要降低電路的功耗，就需要降低工作頻率,、降低工作電壓或盡可能使電路處于靜態(tài)工作狀態(tài),。
1.2.3 無線射頻模塊
    數(shù)據(jù)傳輸部分是系統(tǒng)主要的能量消耗模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率,、發(fā)射功率是影響無線傳輸模塊的主要因素[6],。發(fā)射功率越大，數(shù)據(jù)傳輸波特率越高,，模塊消耗功率就越大,。
2 低功耗設(shè)計(jì)
2.1休眠降耗法
    當(dāng)系統(tǒng)空閑時，利用休眠功能,，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài),，中斷的產(chǎn)生會使MCU退出低功耗模式。在具備中斷情況下,，MCU可以在整個過程中保持睡眠狀態(tài),，只有產(chǎn)生中斷時才被激活，處理器與無線射頻在休眠狀態(tài)時,，功耗較低。以MSP430系列單片機(jī)與射頻芯片CC2520為例,，休眠功耗大約只有幾微安[7],。
為了確定方案的可行性，對中斷方式的兩種極端檢測方式進(jìn)行分析：
    (1)誤差計(jì)算
    ①假設(shè)車輛最高時速為200 km/h(即55.6 m/s),，車長為2 m,，車輛通過傳感器的時間t=2/55.6=36 ms。MCU與射頻電路由睡眠狀態(tài)喚醒需要的時間為0.2 ms,，誤差為0.2/36=0.56%,，誤差較低，如果在軟件中加入校正,，此誤差在理論上為零,。因此，車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下,，中斷啟動方式可以實(shí)現(xiàn),。
    ②假設(shè)車速為30 km/h(即8.3 m/s)，車輛通過傳感器的時間t=2/8.3=241 ms,，MCU與射頻電路由睡眠狀態(tài)喚醒需要的時間為0.2 ms,，誤差為0.2/241=0.09%。因此,，誤差很低可以忽略不計(jì),。
    由以上分析可知,，此方法誤差很小，利用此方式對系統(tǒng)測量誤差影響很小,，方法可行,。
    (2)功耗分析
    ①假設(shè)車速200 km/h，車輛安全間距為200 m,，因此MCU和射頻芯片間歇時間為200/55.6=3.6 s,，而MCU與射頻電路正常工作時間僅為t=2/55.6=36 ms，采用此方法可以將功率消耗減少到0.036/(3.6+0.036)=1%,。降低功耗效果明顯,。
    ②假設(shè)車速為30 km/h(即8.3 m/s)，安全距離為30 m,，處理器與無線射頻間歇時間為30/8.3=3.6 s,，工作時間為t=2/8.3=241 ms，則功率消耗降低為0.241/(0.241+3.6)=6.3%,。
    由以上分析可知,，利用MCU與射頻芯片的休眠功能，可以很大程度上降低系統(tǒng)消耗功率,，特別是在高速路段,，可以將系統(tǒng)消耗功率降低為原來的1%，且即使車輛在低速運(yùn)行過程中,，功率也能降低為原來的1/16,。
2.2 降頻降耗法
    MCU的耗能主要與其工作電壓和工作頻率有關(guān)[8]。MCU消耗功率P與工作電壓和工作頻率的關(guān)系可由如下公式得到：
    P=CV2f                                     (4)
    其中C為系統(tǒng)的負(fù)載電容,，V為電源電壓,，f為系統(tǒng)工作頻率。由公式可以看出,，電源電壓的大小對系統(tǒng)功耗影響很大(以二次方的形式增加),，其次是系統(tǒng)的工作頻率和系統(tǒng)負(fù)載電容。一般系統(tǒng)的負(fù)載電容難以控制,，所以,，在不影響系統(tǒng)工作性能的情況下，選用較低的工作電壓和工作頻率可以有效地降低系統(tǒng)的功耗,。
　以MSP430單片機(jī)為例,，MSP430系列單片機(jī)具有雙時鐘的特性，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為4 kHz,、工作電壓為3 V時,，MCU消耗電流最大為32μA，是系統(tǒng)頻率為1 MHz時消耗功率(595 μA)的1/18,，功率降低明顯,。
可行性分析：傳感器輸出的數(shù)據(jù)波形需要利用波形寬度和波峰位置信息,，如果不用A/D也可獲得這兩種信息，可以通過降低MCU主頻來降低功耗,。該方法的核心問題是尋找替代A/D的測量方式,。
    一般傳感器檢測到的信號波形類似于正弦波，波形通過一級高增益放大器放大波形進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換,，放大器輸出峰值為3.3 V的類方波,，系統(tǒng)省略一級波形轉(zhuǎn)換電路，利用中斷方式觸發(fā)MCU,。當(dāng)放大器輸出電壓值達(dá)到1.8 V時,，MCU將其判斷為高電平，即可觸發(fā)MCU產(chǎn)生中斷,，MCU利用測周期方法測量類方波的寬度,，并計(jì)算出兩個波峰間距。各個模塊的信號波形如圖2所示,。

    假設(shè)車輛最高時速為200 km/h(即55.6 m/s),，車身長為2 m，車輛通過傳感器的時間為t=2/55.6=36 ms,。MCU采用主頻4 kHz運(yùn)行,，系統(tǒng)測量誤差為1/4 000=0.25 ms，因此測量寬度為36 ms的波形誤差為0.25/36=0.7%,。?駐t大約為整個波形周期的1/20,，而此部分可以利用軟件補(bǔ)償，理論上此誤差為零,。
2.3 軟件低功耗設(shè)計(jì)
    軟件低功耗的設(shè)計(jì)目的就是充分利用應(yīng)用所允許的最深睡眠狀態(tài)，確保芯片盡可能長時間地保持在這一狀態(tài)下,。軟件協(xié)議降低功耗主要從以下幾個方面設(shè)計(jì)：(1)構(gòu)建低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),；(2)根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)與接入點(diǎn)之間的距離，利用功率控制技術(shù)智能調(diào)節(jié)發(fā)射功率,，以降低節(jié)點(diǎn)無線通信模塊的能量消耗,。軟件流程圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    車輛經(jīng)過檢測器,，系統(tǒng)由休眠狀態(tài)喚醒,，讀取當(dāng)前時刻值，測量兩次中斷寬度,，將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)父節(jié)點(diǎn),。每次中斷喚醒，系統(tǒng)向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送一幀包含車輛信息的數(shù)據(jù)包,，因此,，只有在喚醒狀態(tài)下,，系統(tǒng)功率消耗才會增加。通過實(shí)驗(yàn),，得到功耗降低明顯,，在10 min測量時間內(nèi)，有休眠與無休眠電流曲線比較圖如圖4所示,。

    降低系統(tǒng)功耗不但可以節(jié)約能源,，而且可以減小硬件體積、延長硬件使用壽命,，因此低功耗設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視,。低功耗在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)、器件的工藝設(shè)計(jì)等方面具有較明顯的效果,。本文分析了車輛檢測器電路功耗特性,，提出了休眠降耗法和降頻降耗法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這兩種方法降低系統(tǒng)功耗明顯,，即使在繁忙的工作時段也能降低70%以上的功耗,，從而延長終端節(jié)點(diǎn)的使用壽命，使系統(tǒng)更具有實(shí)用性,。
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