??? 摘 要： 基于低功耗nRF24L01無線收發(fā)器和MSP430F449單片機,，采用短時突發(fā)式無線發(fā)射技術和低功耗休眠機制，設計一種超低功耗的傳感器節(jié)點,。測量結(jié)果表明,，在電源電壓為3.3V、平均數(shù)據(jù)率為1kb/s,、發(fā)送功率為0dBmW,、傳輸距離為10m、誤幀率為0.12%時,，本系統(tǒng)平均功耗約42μW,，可以應用于光照、振動,、熱和氣流等環(huán)境能量供電的無線傳感器網(wǎng)絡,。
??? 關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；低功耗,；nRF24L01,；MSP430F449
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??? 無線傳感器網(wǎng)絡作為信息技術領域的一項新技術，在軍事監(jiān)控,、地震與氣候預測,、數(shù)字農(nóng)業(yè)、醫(yī)療監(jiān)控等領域得到廣泛應用[1],。其中加州大學伯克利分校研制的MOTE[2]傳感器節(jié)點,，如MICA2、MICAZ,、TELOS等,，是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的典型結(jié)構(gòu)。無線傳感節(jié)點一般采用電池供電,，對于節(jié)點數(shù)目龐大的傳感器網(wǎng)絡,，電池更換非常困難，所以降低節(jié)點功耗可以延長節(jié)點的壽命。
??? 在保證整個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點性能的前提下,，設計一種超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,，采用超低功耗短時突發(fā)式無線發(fā)射技術、低功耗休眠機制等,，使節(jié)點功耗最小,，一方面可以延長電池的使用壽命，另一方面還可以采用光照,、振動,、熱和氣流等環(huán)境能量供電。
1 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)
??? 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,，一般由數(shù)據(jù)采集（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）,、數(shù)據(jù)處理（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括處理器,、存儲器,、嵌入式操作系統(tǒng)等）、數(shù)據(jù)傳輸（由無線通信模塊組成）和電源四部分組成,。本系統(tǒng)中,，信息處理和控制單元采用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的超低功耗微控制器MSP430F449；數(shù)據(jù)傳輸模塊采用超低功耗的nRF24L01射頻收發(fā)模塊,；數(shù)據(jù)采集模塊采用低功耗數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11,，可根據(jù)被監(jiān)測的物理信號要求選擇其他類型的低功耗傳感器。
2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點低功耗設計
2.1 微處理器模塊
??? 基于CMOS工藝的微處理器的功耗基本滿足：
??? P=CV2f????????????????????????????????????????????? (1)
其中,，C為系統(tǒng)的負載電容,，V為電源電壓，f為系統(tǒng)的工作頻率,。系統(tǒng)的負載電容一般是不變的,，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降低系統(tǒng)的功耗,。
??? 本設計選用了TI公司推出的一款16位超低功耗單片機MSP430F449[3],，其工作電壓范圍為1.8V～3.6V，并且采用三套獨立的時鐘源,，包括高速的主時鐘,、低頻時鐘（如32.768kHz）以及DCO片內(nèi)時鐘，可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時鐘頻率,，以降低功耗,。
??? 如圖1所示，MSP430F449具有五種節(jié)能模式：LPM0,、LPM1、LPM2、LPM3和LPM4,，為其功耗管理提供了極好的性能保證[4],。系統(tǒng)復位時，MSP430F449先進入AM（Active Mode）模式,，然后可經(jīng)AM模式轉(zhuǎn)入任何一種低功耗模式,，并通過中斷方式使CPU退出低功耗模式，返回AM模式,。MSP430F449可以在整個過程中長時間保持睡眠狀態(tài),，只有產(chǎn)生中斷時才激活，中斷響應時間不超過6μs,，可以在突發(fā)模式下快速處理中斷事件,。
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??? 除MSP430F449本身的功耗外，所有從電源到地的回路都會有功率損耗,。MSP430F449必需的外圍電路包括復位電路,、JTAG仿真口、電源濾波電路以及無源晶振,，其中復位電路直接與電源連接,，會有幾微瓦的功耗。因MSP430F449內(nèi)部采用CMOS電路,，I/O口懸空可能產(chǎn)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn),，造成功率損耗，所以最好把閑置的I/O口上拉到電源,。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊
??? 數(shù)據(jù)傳輸模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信,，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。無線通信消耗的能量占了整個無線傳感器網(wǎng)絡能耗的絕大部分,，因此對這一模塊的選取和設計事關低功耗設計的全局,。除了考慮功耗因素外，還應兼顧數(shù)據(jù)傳輸模塊的靈敏度,、誤幀率以及傳輸距離等綜合性能,。
??? 本設計選用NORDIC公司近期推出的融合了高速、低功耗,、低成本的2Mb/s工業(yè)級嵌入式2.4GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01[5],，它具有增強型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層,，這通常需要一個高速的MCU和較大的RAM,。
??? nRF24L01有五種工作模式：RX、TX,、StandbyⅡ,、StandbyⅠ,、PowerDown模式，在3V電壓下五種工作模式的工作電流情況如表1所示,。其中PowerDown模式的工作電流最小,，僅900nA，因此應盡量在PowerDown模式下工作,，當需要傳輸數(shù)據(jù)時才轉(zhuǎn)入TX或RX模式,。在各種模式間轉(zhuǎn)換過程也會產(chǎn)生功耗，模式間切換的延時主要由晶振起振的穩(wěn)定時間決定,，選擇起振快,、負載電容小的晶振可以減小延時。nRF24L01與MCU進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間,，也是需要考慮的,。數(shù)據(jù)傳輸率低會使數(shù)據(jù)傳輸模塊功耗升高，nRF24L0內(nèi)置高速的SPI口（速率高達8Mb/s）,，很好地解決了nRF24L01與MCU數(shù)據(jù)傳輸率問題,。
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?? ?nRF24L01的控制流程如圖2所示。采用低功耗的工作模式完成nRF24L01所必需的工作步驟,，去掉不必要的輔助功能,，例如自動應答和自動重發(fā)等。nRF24L01具有自動應答和自動重發(fā)功能,，使數(shù)據(jù)傳輸模塊的功耗大大增加,，采用W_TX_PAYLOAD_NOACK指令使發(fā)送的數(shù)據(jù)包不帶應答信息，去除了自動應答和自動重發(fā)功能,。
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??? nRF24L01采用鞭形PCB天線,，天線的頻率和阻抗必須與射頻芯片匹配，以獲取最大的傳輸功率,，減少無效的功率損耗,。通常情況下，天線阻抗與射頻芯片不匹配,，因此在nRF24L01的外圍電路接入了的L1,、L2、L3,、C7和C10等電容和電感,，作為匹配網(wǎng)絡，并抑制高頻噪聲,，如圖3所示,。
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2.3 傳感器模塊
??? 采用低功耗的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11，完成傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集工作,，在測量和傳輸完成后,，SHT11自動轉(zhuǎn)入休眠模式,，等待下次命令的開始，這樣可以降低傳感器模塊的功耗,。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一種高度集成的溫濕度傳感器,，將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理,、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成在一塊芯片上,，具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性,。片內(nèi)裝載的校準系數(shù)可保證互換性；電流極低,，休眠時為3μA,，平均為28μA。
2.4 軟件設計
??? 本設計采用低功耗的軟件設計方法：優(yōu)化系統(tǒng)時鐘,、優(yōu)化工作時序和精簡冗余指令等,，實現(xiàn)了節(jié)點的低功耗。優(yōu)化系統(tǒng)時鐘,，采用輔助時鐘ACLK(32768Hz)作為MCU休眠（LPM3模式）的時鐘源,，將ACLK倍頻至1MHz作為MCU喚醒后的系統(tǒng)時鐘；優(yōu)化工作時序,，nRF24L01的TX/RX模式的功耗遠大于MSP430F449的AM模式,，基于nRF24L01掉電讀寫控制寄存器的功能，采用nRF24L01先睡眠后喚醒的工作時序,，可以使節(jié)點的功耗進一步降低,；精簡冗余指令，簡化中斷服務程序,，中斷服務程序僅完成MSP430F449退出睡眠的任務,。
??? 傳感器節(jié)點的主程序流程圖如圖4所示。首先,，初始化MSP430F449的時鐘,、定時器和SPI口等，采用定時中斷方法實現(xiàn)節(jié)點按一定的周期完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,，在休眠狀態(tài)下實現(xiàn)定時器定時Ts=0.2s,；在nRF24L01的 PowerDown模式下，初始化速率,、發(fā)射功率,、頻段、地址和校驗等配置,，完成后MCU打開全局中斷,；MCU通過SPI口把有效數(shù)據(jù)(設為16B)寫入nRF24L01的TX_FIFO緩存,。MCU的SPI速率由于受到系統(tǒng)時鐘頻率的限制僅為500kb/s，裝載數(shù)據(jù)的通信時延TUL=(16B×8)/500kb/s=0.256ms,；PWR_UP＝1,，且MCU控制引腳CE置高大于10μs后，經(jīng)130μs的晶振穩(wěn)定時間,，nRF24L01進入TX模式開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀(幀格式如圖5所示),；控制位TX_DS置位，引腳IRQ產(chǎn)生中斷信號,，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送,，此時應立即使nRF24L01進入PowerDown，以節(jié)省能量,。
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??? 傳感器節(jié)點工作時序如圖6所示,。其中TAIFG為定時中斷寄存器，Ts為定時時間,，TUL為nRF24L01裝載數(shù)據(jù)的時間,，TOA為數(shù)據(jù)幀在空中的傳輸時間，TIRQ為nRF24L01的中斷響應時間,。
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3 性能測試
3.1 節(jié)點功耗測試
?? ?節(jié)點的總功耗可根據(jù)總電流乘以電源電壓計算,，總電流又可通過串入采樣電阻實現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換來測量。電阻大小的選取原則為：引入的壓降可忽略,，產(chǎn)生的電壓易于測量,。本設計中采樣電阻取精度為1‰、阻值為1Ω的電阻,。
??? 節(jié)點工作電壓為3.3V,、工作周期為0.2s、數(shù)據(jù)幀長度為25B,、發(fā)送速率為2Mb/s,、發(fā)射功率為0dBm的情況下，采用泰克公司的TDS1012B數(shù)字存儲示波器測得的采樣電阻的電壓波形如圖7所示,，此時節(jié)點的平均數(shù)據(jù)率為1kb/s,。
??? 圖7（a）為傳感器節(jié)點連續(xù)工作的脈沖波形，脈沖的幅值約為12mV（即工作電流為12mA）,，與手冊上公布的節(jié)點工作在TX模式下的電流11.3mA基本吻合,。
??? 圖7（b）為單個脈沖放大的電壓波形。第一階段,，節(jié)點被喚醒,，MCU晶振開始起振到完成數(shù)據(jù)幀組裝約300μs，工作電流約為1mA,；第二階段節(jié)點進入TX模式準備發(fā)送約130μs,，為射頻晶振的穩(wěn)定時間,，這個階段的平均工作電流約為8mA；第三階段,，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)約100μs,，此時，工作電流約為12mA,；最后節(jié)點進入睡眠,。
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??? 由圖7所測試的實際波形，可以計算得出節(jié)點的平均功耗約為：
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3.2 誤幀率測試
??? 誤幀率是衡量通信線路指標的常用參數(shù),，是表征接收質(zhì)量的重要參數(shù),。誤幀率的測試是將發(fā)射機的數(shù)據(jù)源不斷地發(fā)送到接收端，接收端同步接收該數(shù)據(jù)流后再檢查收到的數(shù)據(jù)流中是否有傳錯的數(shù)據(jù),。測試誤幀率的方法：發(fā)送端每200ms發(fā)出一個數(shù)據(jù)包(約25B)，接收端用一個“誤幀計數(shù)器”來統(tǒng)計發(fā)錯或丟失的數(shù)據(jù)幀數(shù)目,。
??? 在室內(nèi)環(huán)境中,，當發(fā)送速率為2Mb/s、輸出功率為0dB,、數(shù)據(jù)幀長度為25B時,，本設計節(jié)點誤幀率測試結(jié)果如表2所示。
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??? 本系統(tǒng)的綜合性能如表3所示,。采用低功耗電路設計方法,、低功耗器件選取方法和低功耗休眠機制，實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的低功耗設計,。對于使用電池供電無線傳感器網(wǎng)絡,，可以延長其使用壽命；對于光照,、振動,、熱和氣流等環(huán)境能量供電的無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)其自供電也具有重要意義[5],。
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參考文獻
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