基于ZigBee的低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：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(xiāo)，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。
關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感節(jié)點(diǎn)；低功耗；工作壽命

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?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(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(xiāo)，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)。

    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(mén)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(mén)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。
    通過(guò)測(cè)試獲取節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)如表2所示，工作電壓為3．3 V?？芍?，節(jié)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(zhǎng)的工作壽命，有必要將節(jié)點(diǎn)設(shè)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(jié)點(diǎn)壽命預(yù)測(cè)公式：
   
    式中：Td為節(jié)點(diǎn)可工作天數(shù)；Qb為可用電池容量；tw為每周期內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)；ts為每周期內(nèi)休眠時(shí)長(zhǎng)；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(cè)在不同休眠時(shí)長(zhǎng)下的工作天數(shù)如表3所示。對(duì)特定的傳感節(jié)點(diǎn)，其單周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送所占用的工作時(shí)長(zhǎng)是一定的，可變的就是休眠時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)控制傳感節(jié)點(diǎn)不同的休眠時(shí)長(zhǎng)來(lái)獲取其相應(yīng)的工作壽命特性。由表3可知，隨著休眠時(shí)長(zhǎng)的增加，節(jié)點(diǎn)工作壽命隨之延長(zhǎng)，當(dāng)休眠時(shí)長(zhǎng)為60s，即1 min進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集發(fā)送時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠連續(xù)使用約1年時(shí)間。

    在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，采用孚安特鋰電ER14250H和普通7號(hào)南孚堿性電池進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，前者電池容量為1 200 mAh，后者無(wú)容量標(biāo)識(shí)，但根據(jù)其官方網(wǎng)站測(cè)試說(shuō)明，估計(jì)亦在1 200 mAh左右?？紤]長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中電池自放電效應(yīng)，其實(shí)際可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)得到節(jié)點(diǎn)實(shí)際可工作天數(shù)如表3所示，測(cè)試結(jié)果與預(yù)測(cè)趨勢(shì)大體上是一致的，傳感節(jié)點(diǎn)可工作天數(shù)與其在一個(gè)工作周期內(nèi)的休眠時(shí)長(zhǎng)相關(guān)。所以，為延長(zhǎng)傳感節(jié)點(diǎn)壽命，有必要根據(jù)實(shí)際情況確定節(jié)點(diǎn)的工作休眠時(shí)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(shí)間。另外，在組網(wǎng)測(cè)試中，傳感節(jié)點(diǎn)單跳距離約60 m，自組織特性良好，傳感節(jié)點(diǎn)可以選擇較優(yōu)路由入網(wǎng)，服務(wù)器對(duì)終端傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)測(cè)、控制功能均正常。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的溫濕度傳感節(jié)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(jié)語(yǔ)
    本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感節(jié)點(diǎn)具備低功耗特性，能夠通過(guò)無(wú)線實(shí)施靈活的測(cè)量和控制，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(cè)量與控制。誠(chéng)然，降低功耗可以延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(jié)點(diǎn)有效地自我補(bǔ)給，這對(duì)于野外部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有著積極意義。