ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本文以CC2430芯片為核心設(shè)計(jì)一種用于溫濕度測(cè)量的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，為了降低節(jié)點(diǎn)功耗，在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，為傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了空閑、觸發(fā)和主動(dòng)等3種工作模式，使節(jié)點(diǎn)能夠按照實(shí)際需求控制采樣的時(shí)機(jī)和速率，以減少傳感節(jié)點(diǎn)用于無(wú)線通信的能量開(kāi)銷，從而滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)根據(jù)已知參數(shù)預(yù)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)壽命，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以無(wú)線通信方式形成的一個(gè)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(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無(wú)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(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而對(duì)于有成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，對(duì)電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)聞卻要求長(zhǎng)達(dá)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)模塊消耗能量，由于傳感器模塊消耗能量相對(duì)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(jié)能策略通常有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(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(dāng)計(jì)算負(fù)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(jié)約微處理器的能耗;后者是利用當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒(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(diào)到更低能耗的狀態(tài)，以延長(zhǎng)節(jié)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(jié)能策略尤為重要，主要包括控制節(jié)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(duì)硬件的選擇配置和軟件的靈活設(shè)計(jì)，采用3種備選工作模式，使節(jié)點(diǎn)能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，減少節(jié)點(diǎn)用于無(wú)線通信的能量開(kāi)銷，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗目標(biāo)，同時(shí)完成相關(guān)測(cè)試對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

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(wú)線通信技術(shù)，適用于無(wú)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(jì)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(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(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)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(tǒng)，移植美國(guó)密西西比大學(xué)的精簡(jiǎn)ZigBee協(xié)議棧，以CC2430芯片為核心設(shè)計(jì)一種用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗目標(biāo)。

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)線通信模塊，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。

圖1 無(wú)線傳感器節(jié)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(cè)濕精度為±4.5%RH，25℃時(shí)測(cè)溫精度為±0.5℃。SHT10采用兩條串行線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，串行時(shí)鐘線SCK負(fù)責(zé)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(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平，故DATA線采用10 kΩ的上拉電阻。

對(duì)于供電模塊，最初設(shè)計(jì)時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)體積因素，擬采用鈕扣電池。但在后來(lái)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，容量為210 mAh的CR2032型鈕扣鋰電在節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)瞬間，電池電壓立即由3.0V下降到2.4V，難以驅(qū)動(dòng)傳感節(jié)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(fù)載能力，故采用2節(jié)普通7號(hào)電池提供3.3V電源。

2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)程序主流程如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信兩個(gè)部分。出于傳感節(jié)點(diǎn)低功耗的考慮，軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在工作模式的處理上。

節(jié)點(diǎn)能耗絕大部分消耗在無(wú)線通信部分，傳感節(jié)點(diǎn)使用無(wú)線方式傳輸1 b到100 m遠(yuǎn)所消耗的能量可供執(zhí)行3 000條指令?？梢?jiàn)，如何有效傳輸數(shù)據(jù)，合理安排工作休眠時(shí)間對(duì)于節(jié)約傳感節(jié)點(diǎn)能耗有著直接影響，這也是軟件設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗以及更優(yōu)的測(cè)量性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用工作模式的選擇，通過(guò)無(wú)線配置傳感節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，使節(jié)點(diǎn)能夠按照實(shí)際需要控制采集的時(shí)機(jī)和速率，從而降低能耗，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。節(jié)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(jié)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(jié)約能耗;觸發(fā)模式下RF關(guān)閉，只有當(dāng)傳感器測(cè)量值達(dá)到設(shè)定門限后才觸發(fā)RF進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)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(cè)和預(yù)警;主動(dòng)模式下傳感節(jié)點(diǎn)按配置的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送，周期性轉(zhuǎn)入休眠并自動(dòng)喚醒。模式選擇及相應(yīng)參數(shù)配置均來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)而言，該項(xiàng)工作是在無(wú)線接收過(guò)程中完成的。

3 低功耗測(cè)試

鑒于功耗測(cè)試特點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)工作模式設(shè)置為主動(dòng)模式，即節(jié)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(shù)，依據(jù)一定方法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。