摘 要：通過(guò)硬件和軟件兩方面的改進(jìn)來(lái)降低家禽環(huán)境無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗,，延長(zhǎng)整個(gè)家禽環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的工作壽命。硬件方面主要從器件選擇,、工作電壓以及電源管理等方面進(jìn)行優(yōu)化,，軟件方面主要通過(guò)中斷的應(yīng)用、能量均衡的算法以及集中模式傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行改進(jìn)。最后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試,，該設(shè)計(jì)目前在江蘇微優(yōu)軟件科技有限公司進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)營(yíng),。
關(guān)鍵詞：低功耗； 環(huán)境檢測(cè),； 無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn),； FPAA；家禽

    無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已深入影響到人們的日常生活,。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),，其工作壽命直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。其中功耗是影響無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的關(guān)鍵因素,，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗的研究有著極其重要的意義,。基于此,，本設(shè)計(jì)將從硬件和軟件兩方面對(duì)禽類環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)降低功耗方面進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化,。
1 家禽環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)
    在家禽飼養(yǎng)過(guò)程中,禽舍內(nèi)部的溫度、濕度,、光照強(qiáng)度以及氨氣濃度對(duì)禽類生長(zhǎng)有著關(guān)鍵影響,。依此設(shè)計(jì)家禽環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

    檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)處理控制模塊,、無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊以及供能模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成各種傳感器信號(hào)采集及調(diào)理,，以備數(shù)據(jù)處理控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,；數(shù)據(jù)處理控制模塊主要完成傳感器采集、發(fā)送控制以及數(shù)據(jù)的處理,、存儲(chǔ)等整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路工作狀態(tài)的控制,；無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊主要完成節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信,；供能模塊主要完成電池電壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換確保各器件正常工作,。
2 硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此在降低功耗設(shè)計(jì)方面優(yōu)先考慮,。參考文獻(xiàn)[1]中的研究表明,硬件的功耗主要分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗,，動(dòng)態(tài)功耗是由硬件的負(fù)載電容充放電造成，靜態(tài)功耗主要由漏電流產(chǎn)生,，可表示為：

其中,C代表負(fù)載電容,；N代表電路每拍翻轉(zhuǎn)次數(shù)；V代表電壓,；f代表時(shí)鐘頻率,；Ileak代表漏電流。通過(guò)式(1)可清晰地看出動(dòng)態(tài)功耗與電壓的平方、負(fù)載電容值以及時(shí)鐘頻率值成正比,，靜態(tài)功耗與電壓,、電容漏電流成正比。因此,，應(yīng)在保證器件正常工作的前提下降低器件的工作電壓,、頻率、漏電流,、負(fù)載電容,，電解電容的漏電流較大，其他電容的漏電流極小,，設(shè)計(jì)電路時(shí)盡可能少地使用電解電容[1],。
2.1 主要器件選擇
    為了簡(jiǎn)化電源電路、降低器件的應(yīng)用量,，設(shè)計(jì)電路時(shí)采用同一電壓進(jìn)行供電,。考慮到低壓供電設(shè)計(jì)這一要求,，本文選擇3.3 V的電壓為系統(tǒng)進(jìn)行供電,。控制器選擇TI公司的MSP430系列單片機(jī),，具有5種低功耗模式,。溫濕度傳感器選擇Scnsirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT15[2]，數(shù)據(jù)輸出采用I2C總線協(xié)議,休眠電流3 μA,。光照強(qiáng)度傳感器選擇TAOS公司的數(shù)字傳感器TSL2561,，數(shù)據(jù)輸出采用I2C總線協(xié)議，低功耗模式電流3.2 μA,。氨氣傳感器選用模擬氨氣傳感器MQ137,，采用3.3 V供電。射頻芯片選擇Nordic公司的NRF905,。模擬單端轉(zhuǎn)差分低功耗集成放大器選擇THS4521[3]。信號(hào)調(diào)理芯片選擇Anadigm公司的AN221E04[4],。
2.2 信號(hào)調(diào)理電路
    信號(hào)調(diào)理電路主要由前端放大電路和FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路組成,，前端放大電路主要完成單端轉(zhuǎn)差分、初級(jí)放大功能;FPAA技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波,、二次放大功能,，具體電路如圖2所示。

2.3 電源管理電路
　硬件電路中的高效,、穩(wěn)定工作離不開(kāi)穩(wěn)定的電源,，為了使電池能夠更加穩(wěn)定、充分地放電,需要設(shè)計(jì)一種輸入電壓范圍寬、輸出恒定的DC-DC轉(zhuǎn)換電路,。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量均衡時(shí)不需要精確的電池剩余容量,，只要粗略地估計(jì)出電池的能量即可。通過(guò)各種SoC測(cè)量方法對(duì)比[5],，電壓測(cè)量法可以很好地滿足電池電量剩余量的快速估測(cè),具體電路搭建采用二極管導(dǎo)通電壓法測(cè)量,。
　MAX856[6]輸入電壓范圍為0.8 V~6 V，可輸出3.3 V和5 V兩種電壓值,，靜態(tài)電流為25 μA,，關(guān)斷電流為1 μA。本文選擇3.3 V輸出,，寬帶輸入電壓值使得電池能夠得以充分放電,，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

    圖3中,，C1,、C2為電解電容(容值為68 μF),C3為鉭電容(容值為0.1 μF),肖特基二極管為1N5817,R9電阻值為3 kΩ,R10電位器的最大阻值為4.7 kΩ，電池為兩節(jié)鎳氫電池串聯(lián),。LBO端與控制器P20引腳連接,，通過(guò)R9和R10比值快速、粗略地測(cè)量電池剩余容量,，為系統(tǒng)能量均衡提供觸發(fā)參數(shù),。
2.4 控制器核心電路
　　控制器核心電路由各種接口及輸入、輸出設(shè)備組成,，圖4給出了各單元的連接方式,。SD電路主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以便上位機(jī)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查閱,；蜂鳴器電路主要起到簡(jiǎn)單報(bào)警以及故障節(jié)點(diǎn)定位作用,；鍵盤(pán)電路主要完成各功能選項(xiàng)的切換。

    電路板制作時(shí)考慮到無(wú)線通信采用高頻電路,，為了提高電路的抗干擾能力,，采用數(shù)模分離設(shè)計(jì)方式，數(shù)字地與模擬地之間并聯(lián)去耦電容,，以減少高頻噪聲和低頻噪聲的干擾,。電路板制作采用雙層板，在無(wú)線模塊部分底層不放置任何器件,，頂層空余部分布銅填充且通過(guò)鉆孔接地,，在布銅時(shí)模擬地采用填充式，數(shù)字地采用網(wǎng)格式,。
3 軟件設(shè)計(jì)
    為了提高節(jié)點(diǎn)工作性能,，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)增加開(kāi)機(jī)自檢模塊,，開(kāi)機(jī)后對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自檢，當(dāng)有問(wèn)題時(shí)出錯(cuò)提示并關(guān)機(jī),，具體主程序流程圖如圖5所示,。

4 節(jié)能控制策略
    節(jié)能控制策略硬件上主要通過(guò)器件工作降低工作電壓以及電源管理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件上通過(guò)中斷程序的合理利用,、器件工作模式的有機(jī)組合以及電池能量的均衡控制來(lái)降低整個(gè)電路的能耗[7-8],。下面詳述具體的控制方式。
4.1 主程序
　主程序主要由控制器完成,，通過(guò)控制控制器,、采集電路及射頻芯片的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)低功耗效果。傳感器數(shù)據(jù)處理時(shí)采用查表技術(shù)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與傳感器數(shù)值的對(duì)應(yīng),，以減少運(yùn)算時(shí)間,，降低功耗。
　通信策略上為保持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和低功耗采用請(qǐng)求應(yīng)答模式和集中發(fā)送模式,。開(kāi)始工作時(shí)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài),，當(dāng)收到簇節(jié)點(diǎn)或上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)集中上傳模式,，沒(méi)有請(qǐng)求指令時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器中,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定數(shù)量后集中發(fā)送，以提高發(fā)送效率,，降低整體發(fā)送功耗,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)超出參數(shù)允許范圍時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)切換到發(fā)送態(tài),，發(fā)送節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)和環(huán)境調(diào)節(jié)請(qǐng)求給上位機(jī),。
4.2 中斷程序
　采用中斷模式減少CPU的工作時(shí)間；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用中斷程序?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集,、電源剩余能量中斷,、數(shù)據(jù)收發(fā)及轉(zhuǎn)發(fā)，傳感器采集部分通過(guò)控制器定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理,、存儲(chǔ),；電源剩余能量、數(shù)據(jù)接收通過(guò)控制器時(shí)鐘進(jìn)行周期性的監(jiān)聽(tīng),，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)后觸發(fā)控制器外部中斷,，檢測(cè)電壓值，判斷電源剩余能量,，喚醒無(wú)線模塊接收和處理數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)能量值并發(fā)送給簇節(jié)點(diǎn)或上位機(jī),。節(jié)點(diǎn)依據(jù)無(wú)線模塊接收的上位機(jī)指令進(jìn)行相應(yīng)操作,。
4.3 能量均衡程序
　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)首次工作時(shí),，隨機(jī)選擇簇節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)依據(jù)周?chē)?jié)點(diǎn)到所選簇節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行分組,，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始工作,。具體流程如圖6所示。上位機(jī)對(duì)組網(wǎng)重新分組時(shí)選擇舊分組中距離簇節(jié)點(diǎn)最近且剩余能量大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為新簇節(jié)點(diǎn)[9-10],。簇節(jié)點(diǎn)路徑重選時(shí)采用多跳模式,，選擇距離能量低于30%的傳感器節(jié)點(diǎn)最近且剩余能量大的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸。

    通過(guò)采用低壓,、低功耗器件,，集成電路降低負(fù)載電容，合理電路布線,，增加電壓管理模塊等硬件措施,，從根本上降低系統(tǒng)的功耗。同時(shí),采用集中發(fā)送模式和請(qǐng)求應(yīng)答模式,、中斷數(shù)據(jù)采集,、查表數(shù)據(jù)處理、最大電量剩余依據(jù)能量均衡等軟件措施來(lái)降低節(jié)點(diǎn)功耗,。通過(guò)軟硬件措施的有機(jī)結(jié)合有效地降低了禽類環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗,，本設(shè)計(jì)方案正在江蘇微優(yōu)軟件科技有限公司進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)。
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