摘  要： 針對(duì)磁阻車(chē)輛檢測(cè)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(cè)器功率。
關(guān)鍵詞： 休眠降耗法；降頻降耗法；磁阻車(chē)輛檢測(cè)器；ZigBee

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)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(chē)輛檢測(cè)技術(shù)，對(duì)車(chē)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(chē)輛檢測(cè)器是檢測(cè)交通流的主要部件。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，車(chē)輛影響地磁場(chǎng)在檢測(cè)器周?chē)拇帕€(xiàn)分布。磁阻車(chē)輛檢測(cè)器檢測(cè)周?chē)艌?chǎng)變化，根據(jù)磁場(chǎng)變化檢測(cè)車(chē)輛的信息。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，通過(guò)車(chē)流量信息控制匝道口的開(kāi)放與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)交通流的控制。車(chē)輛檢測(cè)器埋于地下，車(chē)輛檢測(cè)器的使用壽命問(wèn)題是影響系統(tǒng)推廣的主要因素，因此實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)壽命是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛檢測(cè)器系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的必要條件。
    為了延長(zhǎng)電池供電系統(tǒng)工作壽命，常見(jiàn)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(guó)際、國(guó)內(nèi)研究的主要方向。常用的解決方案是利用定時(shí)喚醒機(jī)制，但喚醒的時(shí)間間隔不能過(guò)長(zhǎng)，否則傳感器不能及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的發(fā)生。因此不論有無(wú)讀取信息需求，系統(tǒng)都要進(jìn)行定時(shí)查詢(xún)，造成能量消耗，另外定時(shí)喚醒需要時(shí)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(shí)喚醒機(jī)制不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果[2]。本文針對(duì)這一問(wèn)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(duì)這幾種方法的可行性進(jìn)行分析，同時(shí)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適合于自動(dòng)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(chē)輛檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。
1 系統(tǒng)功耗分析
1.1 系統(tǒng)組成
    車(chē)輛檢測(cè)器主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理、無(wú)線(xiàn)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(chē)輛檢測(cè)器埋于路面之下，以磁阻傳感器感應(yīng)車(chē)輛通過(guò)，產(chǎn)生微弱電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，轉(zhuǎn)換為微控制器所需的中斷信號(hào)，微處理器檢測(cè)中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻t，與車(chē)輛通過(guò)傳感器兩個(gè)不同車(chē)軸產(chǎn)生中斷信號(hào)的時(shí)間間隔Δt，根據(jù)兩個(gè)參數(shù)可以計(jì)算出車(chē)輛軸距與車(chē)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(hào)調(diào)理、微控制器、ZigBee無(wú)線(xiàn)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(hào)調(diào)理
    信號(hào)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(hào)進(jìn)行放大，根據(jù)信號(hào)的波動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使得輸出較為穩(wěn)定。放大級(jí)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(jí)放大可以滿(mǎn)足放大要求時(shí)，采用一級(jí)放大方式，減少放大級(jí)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(shí)，消耗的功率不同。數(shù)字電路消耗功率主要包括動(dòng)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(méi)有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)(保持高電平或低電平)時(shí)，電路功耗屬于靜態(tài)功耗；而動(dòng)態(tài)為“0”“1”的跳變狀態(tài)，即電路翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的功耗為動(dòng)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(shí)由電源流向電路內(nèi)部的電流；ITC為脈沖電流的時(shí)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(duì)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(shí)，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(huì)使MCU退出低功耗模式。在具備中斷情況下，MCU可以在整個(gè)過(guò)程中保持睡眠狀態(tài)，只有產(chǎn)生中斷時(shí)才被激活，處理器與無(wú)線(xiàn)射頻在休眠狀態(tài)時(shí)，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(duì)中斷方式的兩種極端檢測(cè)方式進(jìn)行分析：
    (1)誤差計(jì)算
    ①假設(shè)車(chē)輛最高時(shí)速為200 km/h(即55.6 m/s)，車(chē)長(zhǎng)為2 m，車(chē)輛通過(guò)傳感器的時(shí)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(shí)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(chē)輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下，中斷啟動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)。
    ②假設(shè)車(chē)速為30 km/h(即8.3 m/s)，車(chē)輛通過(guò)傳感器的時(shí)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(shí)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(duì)系統(tǒng)測(cè)量誤差影響很小，方法可行。
    (2)功耗分析
    ①假設(shè)車(chē)速200 km/h，車(chē)輛安全間距為200 m，因此MCU和射頻芯片間歇時(shí)間為200/55.6=3.6 s，而MCU與射頻電路正常工作時(shí)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(chē)速為30 km/h(即8.3 m/s)，安全距離為30 m，處理器與無(wú)線(xiàn)射頻間歇時(shí)間為30/8.3=3.6 s，工作時(shí)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(lái)的1%，且即使車(chē)輛在低速運(yùn)行過(guò)程中，功率也能降低為原來(lái)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(duì)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(shí)鐘的特性，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為4 kHz、工作電壓為3 V時(shí)，MCU消耗電流最大為32μA，是系統(tǒng)頻率為1 MHz時(shí)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(guò)降低MCU主頻來(lái)降低功耗。該方法的核心問(wèn)題是尋找替代A/D的測(cè)量方式。
    一般傳感器檢測(cè)到的信號(hào)波形類(lèi)似于正弦波，波形通過(guò)一級(jí)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(lèi)方波，系統(tǒng)省略一級(jí)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(shí)，MCU將其判斷為高電平，即可觸發(fā)MCU產(chǎn)生中斷，MCU利用測(cè)周期方法測(cè)量類(lèi)方波的寬度，并計(jì)算出兩個(gè)波峰間距。各個(gè)模塊的信號(hào)波形如圖2所示。

    假設(shè)車(chē)輛最高時(shí)速為200 km/h(即55.6 m/s)，車(chē)身長(zhǎng)為2 m，車(chē)輛通過(guò)傳感器的時(shí)間為t=2/55.6=36 ms。MCU采用主頻4 kHz運(yùn)行，系統(tǒng)測(cè)量誤差為1/4 000=0.25 ms，因此測(cè)量寬度為36 ms的波形誤差為0.25/36=0.7%。?駐t大約為整個(gè)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(zhǎng)時(shí)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(gè)方面設(shè)計(jì)：(1)構(gòu)建低功耗的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)器，系統(tǒng)由休眠狀態(tài)喚醒，讀取當(dāng)前時(shí)刻值，測(cè)量?jī)纱沃袛鄬挾?，將信息?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(chē)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(huì)增加。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到功耗降低明顯，在10 min測(cè)量時(shí)間內(nèi)，有休眠與無(wú)休眠電流曲線(xiàn)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(zhǎng)硬件使用壽命，因此低功耗設(shè)計(jì)越來(lái)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(chē)輛檢測(cè)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(shí)段也能降低70%以上的功耗，從而延長(zhǎng)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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