一種低功耗無線傳感節點設計

黃可嘉 林創魯 劉洋 吳熠銘

（廣東省科學院自動化工程研制中心）

1 引言

測控網絡能夠協作地、實時地監測分布區域內的各種監測對象信息，并對信息進行處理后傳送到監測中心，其具有環境適應性強、可靠性好、效率高和易于擴展等優點，被廣泛地應用于國防軍事、環境監測、物流管理、過程監控等領域[1]。在對遠程小區域特別是野外監測區域的現場數據采集時，經常會遇到采集節點不便甚至無法采用有線連接方式通信和供電的情況。傳感器技術、嵌入式技術、特別是無線通信技術的發展，為解決上述問題提供了解決手段。現有遠程無線傳感節點存在功耗較高、測量準確度易受供電電壓影響等不足。對此，筆者提出基于時間同步的低功耗通信機制，探索采用比率測量技術、傳感電路節能測量技術、無線SOC技術等技術實現相同測量準確度的低功耗無線傳感節點軟硬件方法的可行性。

圖1 無線傳感器網絡系統結構框圖

2 無線數據采集系統結構

圖1為一個無線傳感網絡系統結構框圖，它主要由若干個傳感節點、若干個sink節點、移動通信網絡（GSM/GPRS）、監測中心組成。各監測區域傳感器網絡采用星型網絡拓撲結構。傳感節點采集現場傳感信息并通過短距RF無線信號將處理結果發送到sink節點；sink節點負責管理節點和處理傳感節點發送過來的數據并通過GSM/GPRS移動通信網絡將數據發往監測中心服務器；用戶通過訪問監測中心服務器獲知監測區域的信息，實現遠程監測。傳感器節點往往只能采用微型電池供電，對功耗非常敏感。因此，設計一種功耗低、壽命長、成本低的無線傳感器節點是構建無線傳感器網絡系統中的重要一環。下文將重點就無線傳感節點如何實現低功耗的問題展開討論。

3 無線傳感節點硬件設計

無線傳感器節點主要由傳感獲取單元(由傳感器、信號調理電路和A/D轉換模塊組成)、數據處理單元(由處理器、存儲器、實時時鐘等組成)、射頻傳輸單元(由FIFO緩存、數據幀解包打包和射頻收發模塊組成)以及電源部分，如圖 2所示。采用低能耗器件及節能采樣電路是降低節點的整體功耗的有效方法[2]。下文中，筆者將就影響節點功耗關鍵器件進行選型和電路設計。

圖2 無線傳感器節點硬件原理框圖

3.1 SOC無線單片機

無線通信模塊是無線傳感節點的重要組成部分，其功耗大小直接影響節點的整體功耗。MCU與 RF集成的片上系統(System on Chip,SOC)的推出，不僅滿足了用戶的需求，降低了成本和和功耗，也大大縮短開發時間。因此，該無線傳感節點采用Nordic公司集MCU和RF于一體的nRF24E1型無線單片機[3]。它工作在全球開放的2.4GHz ISM頻段，最大傳輸速率可達1Mb/s；包括有9個通道的10位A /D轉換器、1路SPI總線、1路PWM和1路UART等；工作電壓1.9V～3.6V；射頻模塊在發射模式下的電流消耗為10.5mA，接收模式下為18mA，在待機節能模式最小電流消耗只有2uA。

3.2 低功耗溫度監測電路

由圖2可知，在滿足測量準確度的前提下，如何降低傳感獲取單元的功耗是降低傳感節點整體功耗的重要一環。由于傳統采用電壓激勵的電阻型溫度傳感器的出處容易受到ADC參考電壓、激勵電壓的影響，特別是隨著電池電壓的跌落，其影響更加明顯。而采用高精度參考電壓源勢必大大增加成本。為了克服上述不足此，筆者擬采用電流激勵比率測量技術和電路節能測量技術對電阻型溫度傳感器進行準確測量的同時降低功耗，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 低功耗溫度采集電路原理圖

分析電路圖可知，ADC的測量電壓為：

其中，Kg為ADC前端放大器放大倍數，IREF為激勵電流，RREF為參考電阻，RT為溫度傳感器的兩端電阻。可見，溫度傳感器和參考電阻的端電壓均隨激勵電流的變化而成比率變化，激勵電流不影響溫度測量精度，其測量精度取決于參考電阻RREF[4]；傳感節點的測量準確度不受供電電路的電壓跌落影響。當采用400uA直流電流激勵，選擇2.5kΩ的參考電阻以給ADC提供1V的參考電壓。

當無線單片機處于休眠狀態時，往往將ADC及外圍傳感采集電路關閉以求達到功耗的最低化。如圖4所示，無線單片機在休眠前通過將IO口DIO4信號PON下拉至低電平控制T1將ADC及外圍傳感采集電路斷電；喚醒后通過將PON信號置為高電平開啟ADC及外圍傳感采集電路進行數據采集。ADC及外圍傳感采集電路上電時間取決于采集時間長度TS，斷電時間等于休眠時間TPD，其通斷頻率隨節點的傳感數據采集頻率而節能測量以實現低功耗。

4 低功耗機制和軟件設計

無線通信占了整個無線傳感節點能耗的主要部分。因此，對無線收發子系統的能耗管理非常重要[5]。采取減少通信流量、增加休眠時間、使用多跳短距離無線通信方式等方法可減少通信模塊能耗。筆者擬通過時間同步低功耗通信機制的方法來降低節點功耗。

4.1 時間同步低功耗機制

無線通信模塊存在發送、接收、空閑和休眠4種狀態。無線通信模塊在發送狀態和接受狀態的都要消耗大量電能，而在休眠態的能量消耗最少。如何讓通信更有效率，減少不必要的接受和接收時間，增長節點處于休眠狀態的時間是傳感器通信協議設計需要重點考慮的問題[5]。為此，我們采用一種基于時間同步的低功耗通信機制，使傳感節點和sink節點之間約定在特定的時間段內進行數據傳輸而其余時間休眠。該通信機制的流程圖如圖4所示。sink節點通過呼叫幀同步傳感節點時間、設置休眠周期和啟動數據采集等操作；傳感節點將采樣結果回送sink節點后進入接收模式等待sink節點的數據接受及校驗成功確認幀；傳感節點收到確認幀后進入休眠模式；傳感節點在預設的時間到達后，開門狗喚醒CPU進入接收態等待sink節點的呼叫幀；sink節點也經歷同樣時間后喚醒開始新一輪的數據采集與傳輸。該機制的實質為通過時間同步實現 sink節點和傳感節點在幾乎相同的時刻喚醒并進行數據通信來降低通信時間、提高通信效率并延長休眠時間。

圖4 時間同步通信流程圖

4.2 軟件設計

由于各個監測區域中的傳感節點對功耗敏感，系統傳感節點在工作狀態和休眠狀態之間輪換工作，其工作時間和休眠周期由sink節點控制并實現同步，主要負責數據采集及上傳任務；sink節點是各個監測區域的控制中心和數據匯聚中心，負責處理傳感節點發送過來的數據，檢測及管理傳感節點，并通過GPRS網絡與遠程監測中心通信。節點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 傳感節點程序流程圖

5 實驗結果

傳感器采用PT100箔電阻溫度傳感器，其靈敏度為0.385Ω/℃，測量范圍為-50℃～450℃，為獲得1℃測量精度，采用容差為0.1%的參考電阻RREF。傳感節點采集3次溫度值平均計算得到傳感器電阻值，經查表、線性插值求解實時溫度值并將結果傳送到sink節點完成一次數據采集任務。測試表明，傳感節點休眠消耗電流為2.45uA，要好于類似研究成果[6]；傳感節點在不同電池電壓下，不同狀態的功耗和溫度測量結果如表1所示。傳感節點處的溫度真值由Fluke8846A搭配箔電阻溫度傳感器測得為16.32℃（標稱測量不確定度為0.06℃）。在3.0V供電下，單次數據采集所需采樣時間20ms，發射時間5ms，接收時間40ms，則在采樣周期為10s時節點的平均電流約為93uA；在電池電壓跌落18.2%的條件下，溫度測量準確度沒受影響。

表1 傳感節點在不同電壓下不同狀態下功耗及測量結果

6 結語

為實現遠程無線傳感節點的低功耗，筆者提出了一種基于時間同步的低功耗通信機制，采用比率測量、傳感電路節能測量、無線 SOC等技術設計了基于 nRF24E1為核心的無線數據采集系統節點軟件和硬件。溫度測量實驗表明，無線傳感節點在采集周期為10s的條件下，節點平均電流為 93uA；電壓跌落

18.2%的條件下，溫度測量準確度沒有受到影響。既實現無線傳感節點的超低功耗，延長節點工作時間，也保證了測量準確度，具有廣闊的應用前景。

[1]康軍,戴冠中,何鵬舉,郭達偉.智能分布式測控網絡體系結構設計[J].測控技術,2006,25(4):55～57, 60

[2]Akyildiz I., SuW, C. Wireless Sensor Networks: A Survey [J].Computer Networks, 2002, 38 (3) :393～ 422

[3]Nordic VLSI ASA.NORDIC nRF24E1 Product Specification(Revision: 1.5). http://www.nvlsi.no,2008-04-01

[4]Walter G. Jung.OP AMP Applications [M]. United States of America, 2002:78～81.

[5]張大蹤,楊濤,魏東梅. 無線傳感器網絡低功耗設計綜述[J].傳感器與微系統,2006,25(5):10～14

[6]楊琦,陳輝煌,石江宏.低功耗無線傳感器網絡終端節點設計[J]. 廈門大學學報(自然科學版),2008,47(3):357～360