摘要：以CC2430芯片為核心設(shè)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(chǔ)上進行改進，為傳感節(jié)點設(shè)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(luò)對節(jié)點低功耗的設(shè)計要求，同時根據(jù)已知參數(shù)預(yù)測傳感節(jié)點壽命，并通過實驗進行了驗證。
關(guān)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(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有助于人們更好地感知客觀世界，極大擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認識世界的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題，也是當前國內(nèi)外研究機構(gòu)關(guān)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(yīng)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(diào)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(guān)掉或調(diào)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(shè)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(shè)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(luò)節(jié)點的低功耗目標，同時完成相關(guān)測試對該設(shè)計方案進行驗證。
1 節(jié)點硬件設(shè)計
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。經(jīng)綜合比較，該設(shè)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(nèi)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(xué)的精簡ZigBee協(xié)議棧，以CC2430芯片為核心設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)驅(qū)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(shè)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(qū)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(shè)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(shè)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。可見，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(shè)計應(yīng)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(shè)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(wù)器的控制命令，以更好地節(jié)約能耗；觸發(fā)模式下RF關(guān)閉，只有當傳感器測量值達到設(shè)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(yīng)的采樣率，適用于如森林火災(zāi)等突發(fā)情況的監(jiān)測和預(yù)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(zhuǎn)入休眠并自動喚醒。模式選擇及相應(yīng)參數(shù)配置均來自傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(shè)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(yù)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(shè)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(yù)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(nèi)工作時長；ts為每周期內(nèi)休眠時長；Iw為工作電流；Is為休眠電流。根據(jù)預(yù)潮公式及假定電池可用容量為1 000 mAh，可以預(yù)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(nèi)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(yīng)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。考慮長時間測試中電池自放電效應(yīng)，其實際可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的預(yù)測結(jié)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(jié)果與預(yù)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(nèi)的休眠時長相關(guān)。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(luò)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(wù)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(shè)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(jié)語
本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)，并進行了測試。實驗結(jié)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(luò)要求。同時，節(jié)點設(shè)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(luò)節(jié)點的使用壽命，如果能夠利用諸如光照、風(fēng)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(luò)將有著積極意義。