摘要：以CC2430芯片為核心設計一種用于溫濕度測量的無線傳感節(jié)點,，為了降低節(jié)點功耗，在ZigBee協(xié)議棧的基礎上進行改進,，為傳感節(jié)點設計了空閑,、觸發(fā)和主動等3種工作模式,，使節(jié)點能夠按照實際需求控制采樣的時機和速率,，以減少傳感節(jié)點用于無線通信的能量開銷，從而滿足無線傳感器網(wǎng)絡對節(jié)點低功耗的設計要求,，同時根據(jù)已知參數(shù)預測傳感節(jié)點壽命,，并通過實驗進行了驗證。
關鍵詞：ZigBee,；傳感節(jié)點,；低功耗；工作壽命
0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量廉價微型傳感器節(jié)點組成,，以無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知,、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內感知對象的信息,，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡有助于人們更好地感知客觀世界,，極大擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和人類認識世界的能力,，具有廣闊的應用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般采用電池供電,，可以使用的電量非常有限,，而對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡來說，對電池的更換是非常困難,，甚至是不可能的,。但是無線傳感器網(wǎng)絡的生存時聞卻要求長達數(shù)月甚至數(shù)年。因此,，如何在不影響功能的前提下,，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件設計中的核心問題，也是當前國內外研究機構關注的焦點,。
傳感器節(jié)點由處理器模塊,、通信模塊、傳感器模塊和能量供應模塊4部分組成,。其中,，前3個模塊消耗能量，由于傳感器模塊消耗能量相對較低,，目前研究的重點主要集中在處理器模塊和通信模塊上,。處理器模塊節(jié)能策略通常有動態(tài)電壓調節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和動態(tài)功率管理(Dynamic Power Management，DPM),。前者的工作原理是當計算負載較低時,，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力,，可以節(jié)約微處理器的能耗,；后者是利用當節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài),，把這些組件關掉或調到更低能耗的狀態(tài),，以延長節(jié)點壽命。通信模塊消耗能量是最多的,，故為其制定有效的節(jié)能策略尤為重要,，主要包括控制節(jié)點通信流量，合理安排工作休眠時間以及采用多跳通信方式等,。
本文通過對硬件的選擇配置和軟件的靈活設計,，采用3種備選工作模式，使節(jié)點能根據(jù)實際情況進行參數(shù)設置,，減少節(jié)點用于無線通信的能量開銷,，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的低功耗目標，同時完成相關測試對該設計方案進行驗證,。
1 節(jié)點硬件設計
ZigBee技術是一種近距離,、低功耗、低數(shù)據(jù)速率,、低復雜度的雙向無線通信技術,，適用于無線傳感器網(wǎng)絡。目前,，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片,，如表1所示。經綜合比較,，該設計選用CC2430芯片,，該芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協(xié)議的SoC解決方案，它在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端,、內存和微控制器,，最大27 mA的工作流耗及在休眠模式下0．9μA的流耗使之非常適合無線傳感節(jié)點對低功耗的要求。
在此采用深圳金圖旭昂有限公司的TSZ-CC2430開發(fā)系統(tǒng),，移植美國密西西比大學的精簡ZigBee協(xié)議棧,，以CC2430芯片為核心設計一種用于環(huán)境監(jiān)測的溫濕度傳感節(jié)點，通過軟硬件設計方法實現(xiàn)傳感節(jié)點的低功耗目標,。
硬件連接如圖1所示,，射頻芯片CC2430集成了處理器模塊和無線通信模塊,，大大簡化了射頻電路的設計。
溫濕度傳感器SHT10的工作電壓為2．4～5．5 V,，測濕精度為±4．5％RH,，25℃時測溫精度為±0．5℃。SHT10采用兩條串行線與處理器進行數(shù)據(jù)通信,，串行時鐘線SCK負責兩者通信同步,，數(shù)據(jù)線DATA用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK下降沿之后改變狀態(tài),，并僅在SCK時鐘上升沿有效,。數(shù)據(jù)傳輸期間,，在SCK時鐘高電平時,，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突,，微處理器應驅動DATA在低電平,，故DATA線采用10 kΩ的上拉電阻。
對于供電模塊,，最初設計時考慮節(jié)點體積因素,，擬采用鈕扣電池。但在后來測試中發(fā)現(xiàn),，容量為210 mAh的CR2032型鈕扣鋰電在節(jié)點啟動瞬間,，電池電壓立即由3．0V下降到2．4V，難以驅動傳感節(jié)點正常工作,。分析原因是CC2430射頻工作時流耗超出電池的帶負載能力,，故采用2節(jié)普通7號電池提供3．3V電源。
2 節(jié)點軟件設計
節(jié)點程序主流程如圖2所示,，主要包括數(shù)據(jù)采集和無線通信兩個部分,。出于傳感節(jié)點低功耗的考慮，軟件設計重點放在工作模式的處理上,。
節(jié)點能耗絕大部分消耗在無線通信部分,，傳感節(jié)點使用無線方式傳輸1 b到100 m遠所消耗的能量可供執(zhí)行3 000條指令?？梢?，如何有效傳輸數(shù)據(jù)，合理安排工作休眠時間對于節(jié)約傳感節(jié)點能耗有著直接影響,，這也是軟件設計應重點考慮的問題,。
為了實現(xiàn)傳感節(jié)點的低功耗以及更優(yōu)的測量性能，設計時采用工作模式的選擇,，通過無線配置傳感節(jié)點的工作參數(shù),，使節(jié)點能夠按照實際需要控制采集的時機和速率,，從而降低能耗，以延長節(jié)點壽命,。節(jié)點工作分空閑模式,、觸發(fā)模式、主動模式3種,。其中,，空閑模式下的節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)，只是周期性的喚醒檢查有無來自服務器的控制命令,，以更好地節(jié)約能耗,；觸發(fā)模式下RF關閉，只有當傳感器測量值達到設定門限后才觸發(fā)RF進行無線數(shù)據(jù)收發(fā),，同時可以根據(jù)不同的門限選擇相應的采樣率,，適用于如森林火災等突發(fā)情況的監(jiān)測和預警；主動模式下傳感節(jié)點按配置的采樣率進行數(shù)據(jù)采集發(fā)送,，周期性轉入休眠并自動喚醒,。模式選擇及相應參數(shù)配置均來自傳感器網(wǎng)絡服務器。對傳感節(jié)點而言,，該項工作是在無線接收過程中完成的,。
3 低功耗測試
鑒于功耗測試特點，傳感節(jié)點工作模式設置為主動模式,，即節(jié)點周期性地進行采集,、發(fā)送、休眠,，獲取不同階段的工作參數(shù),，依據(jù)一定方法進行壽命預測和驗證。
通過測試獲取節(jié)點工作參數(shù)如表2所示,，工作電壓為3．3 V,。可知,，節(jié)點工作時流耗大,，在休眠狀態(tài)則小得多。因此,，為保證在供電電量有限的情況下獲得更長的工作壽命,，有必要將節(jié)點設置為間歇式工作模式，即工作休眠周期性交替進行,。下式為節(jié)點壽命預測公式：
式中：Td為節(jié)點可工作天數(shù),；Qb為可用電池容量；tw為每周期內工作時長,；ts為每周期內休眠時長,；Iw為工作電流,；Is為休眠電流。根據(jù)預潮公式及假定電池可用容量為1 000 mAh,，可以預測在不同休眠時長下的工作天數(shù)如表3所示,。對特定的傳感節(jié)點，其單周期內數(shù)據(jù)采集,、處理,、發(fā)送所占用的工作時長是一定的，可變的就是休眠時長,，通過控制傳感節(jié)點不同的休眠時長來獲取其相應的工作壽命特性,。由表3可知，隨著休眠時長的增加,，節(jié)點工作壽命隨之延長,，當休眠時長為60s，即1 min進行1次數(shù)據(jù)采集發(fā)送時,，傳感器節(jié)點能夠連續(xù)使用約1年時間,。
在實際測試過程中，采用孚安特鋰電ER14250H和普通7號南孚堿性電池進行比對實驗,，前者電池容量為1 200 mAh，后者無容量標識,，但根據(jù)其官方網(wǎng)站測試說明,，估計亦在1 200 mAh左右?？紤]長時間測試中電池自放電效應,，其實際可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的預測結果進行比較,。實驗得到節(jié)點實際可工作天數(shù)如表3所示,，測試結果與預測趨勢大體上是一致的，傳感節(jié)點可工作天數(shù)與其在一個工作周期內的休眠時長相關,。所以,，為延長傳感節(jié)點壽命，有必要根據(jù)實際情況確定節(jié)點的工作休眠時間,，在保證網(wǎng)絡穩(wěn)定性,、數(shù)據(jù)可靠性的前提下盡量安排更多的休眠時間。另外,，在組網(wǎng)測試中,，傳感節(jié)點單跳距離約60 m，自組織特性良好,，傳感節(jié)點可以選擇較優(yōu)路由入網(wǎng),，服務器對終端傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)獲取,、監(jiān)測、控制功能均正常,。該設計實現(xiàn)的溫濕度傳感節(jié)點如圖3所示,，電路由CC2430射頻板和傳感器底板組成，兩者通過12 pin×2接口連接,，方便安裝使用,。
4 結語
本文介紹了一種基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)，并進行了測試,。實驗結果表明,，傳感節(jié)點具備低功耗特性，能夠通過無線實施靈活的測量和控制,，滿足無線傳感器網(wǎng)絡要求,。同時，節(jié)點設計方法有一定參照價值,，便于移植和改進,，可用于其他參量的測量與控制。誠然,，降低功耗可以延長無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的使用壽命,，如果能夠利用諸如光照、風力,、震動等外界能量,，從而使傳感節(jié)點有效地自我補給，這對于野外部署的無線傳感器網(wǎng)絡將有著積極意義,。