中心議題：

• 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計與測試

解決方案：

• 節點(diǎn)硬件設計
• 節點(diǎn)軟件設計
• 低功耗測試

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，本文以CC2430芯片為核心設計一種用于溫濕度測量的無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)，為了降低節點(diǎn)功耗，在ZigBee協(xié)議棧的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，為傳感節點(diǎn)設計了空閑、觸發(fā)和主動(dòng)等3種工作模式，使節點(diǎn)能夠按照實(shí)際需求控制采樣的時(shí)機和速率，以減少傳感節點(diǎn)用于無(wú)線(xiàn)通信的能量開(kāi)銷(xiāo)，從而滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對節點(diǎn)低功耗的設計要求，同時(shí)根據已知參數預測傳感節點(diǎn)壽命，并通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行了驗證。

0 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監測區域內大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，以無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有助于人們更好地感知客觀(guān)世界，極大擴展現有網(wǎng)絡(luò )的功能和人類(lèi)認識世界的能力，具有廣闊的應用前景。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)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(wàn)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，對電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)聞卻要求長(cháng)達數月甚至數年。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的電池能量成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軟硬件設計中的核心問(wèn)題，也是當前國內外研究機構關(guān)注的焦點(diǎn)。

傳感器節點(diǎn)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(gè)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(diǎn)主要集中在處理器模塊和通信模塊上。處理器模塊節能策略通常有動(dòng)態(tài)電壓調節(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和動(dòng)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(shí)，通過(guò)降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力，可以節約微處理器的能耗；后者是利用當節點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調到更低能耗的狀態(tài)，以延長(cháng)節點(diǎn)壽命。通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節能策略尤為重要，主要包括控制節點(diǎn)通信流量，合理安排工作休眠時(shí)間以及采用多跳通信方式等。

本文通過(guò)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，使節點(diǎn)能根據實(shí)際情況進(jìn)行參數設置，減少節點(diǎn)用于無(wú)線(xiàn)通信的能量開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的低功耗目標，同時(shí)完成相關(guān)測試對該設計方案進(jìn)行驗證。

1 節點(diǎn)硬件設計

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數據速率、低復雜度的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適用于無(wú)線(xiàn)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(gè)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(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)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(kāi)發(fā)系統，移植美國密西西比大學(xué)的精簡(jiǎn)ZigBee協(xié)議棧，以CC2430芯片為核心設計一種用于環(huán)境監測的溫濕度傳感節點(diǎn)，通過(guò)軟硬件設計方法實(shí)現傳感節點(diǎn)的低功耗目標。
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硬件連接如圖1所示，射頻芯片CC2430集成了處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設計。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)硬件連接示意圖

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(shí)測溫精度為±0．5℃。SHT10采用兩條串行線(xiàn)與處理器進(jìn)行數據通信，串行時(shí)鐘線(xiàn)SCK負責兩者通信同步，數據線(xiàn)DATA用于數據的讀取。DATA在SCK下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數據傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩定。為避免信號沖突，微處理器應驅動(dòng)DATA在低電平，故DATA線(xiàn)采用10 kΩ的上拉電阻。

對于供電模塊，最初設計時(shí)考慮節點(diǎn)體積因素，擬采用鈕扣電池。但在后來(lái)測試中發(fā)現，容量為210 mAh的CR2032型鈕扣鋰電在節點(diǎn)啟動(dòng)瞬間，電池電壓立即由3．0V下降到2．4V，難以驅動(dòng)傳感節點(diǎn)正常工作。分析原因是CC2430射頻工作時(shí)流耗超出電池的帶負載能力，故采用2節普通7號電池提供3．3V電源。

2 節點(diǎn)軟件設計

節點(diǎn)程序主流程如圖2所示，主要包括數據采集和無(wú)線(xiàn)通信兩個(gè)部分。出于傳感節點(diǎn)低功耗的考慮，軟件設計重點(diǎn)放在工作模式的處理上。

節點(diǎn)能耗絕大部分消耗在無(wú)線(xiàn)通信部分，傳感節點(diǎn)使用無(wú)線(xiàn)方式傳輸1 b到100 m遠所消耗的能量可供執行3 000條指令?？梢?jiàn)，如何有效傳輸數據，合理安排工作休眠時(shí)間對于節約傳感節點(diǎn)能耗有著(zhù)直接影響，這也是軟件設計應重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

為了實(shí)現傳感節點(diǎn)的低功耗以及更優(yōu)的測量性能，設計時(shí)采用工作模式的選擇，通過(guò)無(wú)線(xiàn)配置傳感節點(diǎn)的工作參數，使節點(diǎn)能夠按照實(shí)際需要控制采集的時(shí)機和速率，從而降低能耗，以延長(cháng)節點(diǎn)壽命。節點(diǎn)工作分空閑模式、觸發(fā)模式、主動(dòng)模式3種。其中，空閑模式下的節點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只是周期性的喚醒檢查有無(wú)來(lái)自服務(wù)器的控制命令，以更好地節約能耗；觸發(fā)模式下RF關(guān)閉，只有當傳感器測量值達到設定門(mén)限后才觸發(fā)RF進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)，同時(shí)可以根據不同的門(mén)限選擇相應的采樣率，適用于如森林火災等突發(fā)情況的監測和預警；主動(dòng)模式下傳感節點(diǎn)按配置的采樣率進(jìn)行數據采集發(fā)送，周期性轉入休眠并自動(dòng)喚醒。模式選擇及相應參數配置均來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器。對傳感節點(diǎn)而言，該項工作是在無(wú)線(xiàn)接收過(guò)程中完成的。
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3 低功耗測試

鑒于功耗測試特點(diǎn)，傳感節點(diǎn)工作模式設置為主動(dòng)模式，即節點(diǎn)周期性地進(jìn)行采集、發(fā)送、休眠，獲取不同階段的工作參數，依據一定方法進(jìn)行壽命預測和驗證。

通過(guò)測試獲取節點(diǎn)工作參數如表2所示，工作電壓為3．3 V?？芍?，節點(diǎn)工作時(shí)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(cháng)的工作壽命，有必要將節點(diǎn)設置為間歇式工作模式，即工作休眠周期性交替進(jìn)行。下式為節點(diǎn)壽命預測公式：

式中：Td為節點(diǎn)可工作天數；Qb為可用電池容量；tw為每周期內工作時(shí)長(cháng)；ts為每周期內休眠時(shí)長(cháng)；Iw為工作電流；Is為休眠電流。根據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(shí)長(cháng)下的工作天數如表3所示。對特定的傳感節點(diǎn)，其單周期內數據采集、處理、發(fā)送所占用的工作時(shí)長(cháng)是一定的，可變的就是休眠時(shí)長(cháng)，通過(guò)控制傳感節點(diǎn)不同的休眠時(shí)長(cháng)來(lái)獲取其相應的工作壽命特性。由表3可知，隨著(zhù)休眠時(shí)長(cháng)的增加，節點(diǎn)工作壽命隨之延長(cháng)，當休眠時(shí)長(cháng)為60s，即1 min進(jìn)行1次數據采集發(fā)送時(shí)，傳感器節點(diǎn)能夠連續使用約1年時(shí)間。

在實(shí)際測試過(guò)程中，采用孚安特鋰電ER14250H和普通7號南孚堿性電池進(jìn)行比對實(shí)驗，前者電池容量為1 200 mAh，后者無(wú)容量標識，但根據其官方網(wǎng)站測試說(shuō)明，估計亦在1 200 mAh左右?？紤]長(cháng)時(shí)間測試中電池自放電效應，其實(shí)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(jìn)行比較。實(shí)驗得到節點(diǎn)實(shí)際可工作天數如表3所示，測試結果與預測趨勢大體上是一致的，傳感節點(diǎn)可工作天數與其在一個(gè)工作周期內的休眠時(shí)長(cháng)相關(guān)。所以，為延長(cháng)傳感節點(diǎn)壽命，有必要根據實(shí)際情況確定節點(diǎn)的工作休眠時(shí)間，在保證網(wǎng)絡(luò )穩定性、數據可靠性的前提下盡量安排更多的休眠時(shí)間。另外，在組網(wǎng)測試中，傳感節點(diǎn)單跳距離約60 m，自組織特性良好，傳感節點(diǎn)可以選擇較優(yōu)路由入網(wǎng)，服務(wù)器對終端傳感節點(diǎn)的數據獲取、監測、控制功能均正常。該設計實(shí)現的溫濕度傳感節點(diǎn)如圖3所示，電路由CC2430射頻板和傳感器底板組成，兩者通過(guò)12 pin×2接口連接，方便安裝使用。

4 結語(yǔ)

本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計與實(shí)現，并進(jìn)行了測試。實(shí)驗結果表明，傳感節點(diǎn)具備低功耗特性，能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)實(shí)施靈活的測量和控制，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要求。同時(shí)，節點(diǎn)設計方法有一定參照價(jià)值，便于移植和改進(jìn)，可用于其他參量的測量與控制。誠然，降低功耗可以延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的使用壽命，如果能夠利用諸如光照、風(fēng)力、震動(dòng)等外界能量，從而使傳感節點(diǎn)有效地自我補給，這對于野外部署的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將有著(zhù)積極意義。