面向多傳感器模塊接入的低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)*

虞致國，魏 斌，萬書芹，黃召軍，陳子逢

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

從物聯(lián)網(wǎng)通用的技術(shù)分類看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層構(gòu)架，即：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層因?yàn)橹苯用嫦蚓唧w物體，產(chǎn)品的種類繁多，需要的數(shù)量也十分巨大。目前，感知層主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)，該網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（或數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)）和管理終端。傳感器節(jié)點(diǎn)分布于目標(biāo)區(qū)域，決定了網(wǎng)絡(luò)的功能和應(yīng)用范圍。如何設(shè)計(jì)新型高效的傳感器節(jié)點(diǎn)成為提高傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、擴(kuò)展其應(yīng)用范圍的關(guān)鍵問題[1]。另一方面，在不同的應(yīng)用范圍中，節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)功能是類似的[2～8]，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠支持多種傳感器接入方式的傳感器節(jié)點(diǎn)，并具有可擴(kuò)展性、可配置性及低功耗等特點(diǎn)，從而避免不同應(yīng)用系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)成本。

本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用ZigBee通信技術(shù)，可兼容多種傳感器，包括模擬量傳感器、數(shù)字輸入輸出、智能傳感器接口（如I2C、UART、SPI接口等）；可以兼容多種供電方式，方便不同的應(yīng)用場(chǎng)合；采用模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了各個(gè)模塊的通用性，降低了硬件成本。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度的無線傳輸技術(shù)，由IEEE802.15.4和ZigBee聯(lián)盟共同制訂完成。ZigBee協(xié)議采用2.4GHz ISM頻段時(shí)，傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離為10m～75m；ZigBee的協(xié)議架構(gòu)由用戶層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層組成。ZigBee物理層和MAC層采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟定義，用戶層由用戶定義[10]。目前，已有眾多公司加入了ZigBee聯(lián)盟，支持ZigBee技術(shù)的芯片和產(chǎn)品也紛紛開始面世。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建的傳感網(wǎng)系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和后臺(tái)管理終端，結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在使用現(xiàn)場(chǎng)（可用電池供電），周期性采集相關(guān)參數(shù)，采用多跳的方式通過路由節(jié)點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后送到管理終端。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)的組織、協(xié)調(diào)、管理和維護(hù)。管理終端負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警、報(bào)表、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程配置等功能。用戶可以通過管理終端對(duì)目標(biāo)區(qū)域的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)、分析。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)包括硬件設(shè)計(jì)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)著重考慮MCU的選擇、低功耗、對(duì)外接口等，并為提高電池的使用效率和軟件低功耗提供硬件支撐。軟件設(shè)計(jì)考慮協(xié)議棧和應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)，并采用低功耗工作模式。為了使得節(jié)點(diǎn)具備更高的通用性，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，盡量將一些公用模塊獨(dú)立出來。射頻部分為各種類型節(jié)點(diǎn)所必須，為節(jié)點(diǎn)的核心部分，可單獨(dú)設(shè)計(jì)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括三個(gè)部分：射頻子板、傳感器節(jié)點(diǎn)主板、傳感器模塊。射頻子板和傳感器節(jié)點(diǎn)主板一起構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的主體部分。傳感器模塊根據(jù)不同系統(tǒng)需求進(jìn)行選擇，通過通用傳感器接口和節(jié)點(diǎn)主板連接在一起。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

4.1 射頻子板的硬件設(shè)計(jì)

射頻子板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線收發(fā)部分，硬件包括ZigBee系統(tǒng)芯片、時(shí)鐘模塊、RF匹配電路、天線和相應(yīng)的對(duì)外接口等，射頻子板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 射頻子板框圖

4.1.1 MCU的選擇

芯片的選擇主要考慮其低功耗、集成度、價(jià)格等因素。MCU選用FreeScale公司MC13224V，工作電壓為2.0V～3.6V，芯片集成標(biāo)準(zhǔn)的ARM內(nèi)核、2.4GHz射頻收發(fā)器、IEEE 802.15.4 MAC硬件加速器和AES硬件加速器，并在開發(fā)環(huán)境中提供最新的ZigBee 2007/Pro協(xié)議棧。MC13224V上集成了較多的外圍資源，主要包括：

（1）時(shí)鐘模塊，包括兩個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)環(huán)形振蕩器（2kHz）；

（2）一個(gè)SPI接口、一個(gè)SSI接口，兩個(gè)UART接口，一個(gè)I2C接口；

（3）兩個(gè)12bit ADC（共八路外部輸入）；

（4）低功耗管理模塊，芯片支持Hibernate和Doze兩種低功耗模式。

4.1.2 時(shí)鐘系統(tǒng)

外部設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)晶振，一個(gè)是主晶振，振蕩頻率為24MHz；另一個(gè)為32.768kHz的輔助晶振。在正常工作狀態(tài)下，采用主晶振時(shí)鐘，當(dāng)處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)采用輔助晶振或2kHz的環(huán)形振蕩器（根據(jù)功耗及休眠間隔來定），達(dá)到降低功耗的目的。

4.2 對(duì)外接口部分

射頻模塊接口有通用輸入輸出GPIO（和I2C、UART等接口復(fù)用）、模數(shù)轉(zhuǎn)換口、JTAG口三類。GPIO口用于數(shù)字信號(hào)通訊，模數(shù)轉(zhuǎn)換口可對(duì)所監(jiān)測(cè)的模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。JTAG仿真下載接口，主要有兩個(gè)功能：一是在線調(diào)試，二是下載源程序。

4.3 天線設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的天線及其相關(guān)電路有其自身的特點(diǎn)與要求，在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)這些特點(diǎn)和要求重視天線及其相關(guān)電路的設(shè)計(jì)，注重提高天線的性能。由于MC13224V內(nèi)部集成了平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（即巴倫電路），故天線設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要重點(diǎn)考慮50Ω的電阻匹配。

4.4 傳感器節(jié)點(diǎn)主板設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主板完成狀態(tài)指示、供電、配置、下載編程、對(duì)外擴(kuò)展等功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

4.4.1 配置接口

在實(shí)際使用中，常常需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行配置，如節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間、節(jié)點(diǎn)的采集速度、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等。為了讓用戶使用更加靈活，決定提供USB接口進(jìn)行配置（這些參數(shù)也可等節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)后再通過無線的方式進(jìn)行配置）。MC13224V原本沒有USB接口，只有UART接口，考慮到現(xiàn)在很多臺(tái)式機(jī)和筆記本都沒有配備RS232接口，采用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)T232RL進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

當(dāng)配置完畢時(shí)，系統(tǒng)將參數(shù)重新保存在芯片的Flash中。因?yàn)榕渲秒娐凡怀Ｓ茫瑸榱私档凸?jié)點(diǎn)功耗，對(duì)FT323RL設(shè)置單獨(dú)的電源開關(guān)。在正常使用時(shí)，將配置電路關(guān)閉。

4.4.2 接口模塊

接口模塊為節(jié)點(diǎn)對(duì)外連接傳感器的通道及輸出控制通道，必須充分考慮其通用性。對(duì)于一般常見的應(yīng)用，只需要接上所需要的傳感器等設(shè)備。節(jié)點(diǎn)的接口主要有UART接口、I2C接口、SPI接口、ADC接口、電源VCC（5V）、GND，除電源外所有的接口均可以配置成通用輸入輸出口（GPIO）。ADC接口用于模擬量的輸入，可把傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最大支持12bit。UART接口、I2C接口、SPI接口等可用來連接支持相應(yīng)接口的各種智能傳感器和設(shè)備。如果配置成GPIO，則可用作數(shù)量的采集和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)外接設(shè)備的控制和狀態(tài)采集。接口模塊采用工業(yè)級(jí)的接插件，可多次插拔，插好之后接口穩(wěn)定。通過通用化的接口設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)外接設(shè)備的靈活性，可以迅速組成應(yīng)用系統(tǒng)。

4.4.3 人機(jī)接口

人機(jī)接口包括按鍵、LED及LCD。為了便于人機(jī)對(duì)話，在主板上設(shè)置了多個(gè)按鍵以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，如網(wǎng)絡(luò)連接控制按鈕，設(shè)備之間的綁定、復(fù)位按鈕等。

4.5 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

為了快速開發(fā)和應(yīng)用其硬件平臺(tái)，F(xiàn)reeScale公司開發(fā)了BeeKit無線連接工具箱。BeeKit可以幫助開發(fā)人員快速創(chuàng)建ZigBee應(yīng)用，并修改、配置其參數(shù)。BeeKit生成的工程可以導(dǎo)入到IAR System，并進(jìn)一步加入用戶自己的應(yīng)用，最終下載到MC13224V。

節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)議棧采用FreeScale公司的BeeStack協(xié)議棧，它是一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)。BeeStack已經(jīng)編寫了從MAC層到ZigBee設(shè)備應(yīng)用層的事件處理函數(shù)，一般情況下無需修改這些函數(shù)，只需要按照自己的需求編寫應(yīng)用層的任務(wù)及事件處理函數(shù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和上傳任務(wù)，節(jié)點(diǎn)在正常狀態(tài)和休眠狀態(tài)進(jìn)行切換，其中工作時(shí)間和休眠周期由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)控制并實(shí)現(xiàn)同步。采集和整個(gè)軟件系統(tǒng)分為初始化、入網(wǎng)、命令處理、數(shù)據(jù)采集等部分，其工作流程圖如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程

5 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

5.1 硬件低功耗設(shè)計(jì)

因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)大部分情況下是采用電池供電，但用戶也可采用外部5V供電或使用USB對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置（USB可提供5V電源）。采用USB供電時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)使用電壓轉(zhuǎn)換電路、USB與RS232轉(zhuǎn)換電路；采用外部5V供電時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)使用電壓轉(zhuǎn)換電路。因此，硬件在低功耗方面必須支持兩個(gè)特性：一是能盡可能提高電池使用效率；二是在電池供電時(shí)，配置電路、電壓轉(zhuǎn)換芯片、基準(zhǔn)源電路能夠進(jìn)入低功耗模式或斷電。

5.1.1 射頻子板的Buck電路

為了提高電池使用效率，采用了MC13324V內(nèi)部提供的Buck電路。它可以將電池電壓降至1.8V～2.0V，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)電流，延長(zhǎng)了電池使用壽命。

5.1.2 節(jié)點(diǎn)主板的基準(zhǔn)源電路

MC13224V沒有提供ADC電路的基準(zhǔn)源，因此主板上必須提供基準(zhǔn)源芯片。另一方面，如該板采用數(shù)字接口對(duì)外進(jìn)行通信，可將基準(zhǔn)源芯片關(guān)閉，以降低系統(tǒng)功耗。基準(zhǔn)源芯片采用LM285M，電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 基準(zhǔn)源電路

5.1.3 節(jié)點(diǎn)的電源系統(tǒng)

考慮到節(jié)點(diǎn)板的通用性，兼顧到有穩(wěn)定電源和采用電池供電兩種工作方式。外部輸入電源時(shí)有兩種途徑：（1）通過USB接口，可由帶USB接口的設(shè)備提供電源；（2）直接由有線電源供電。非電池供電時(shí)輸入電壓為5V，電池供電采用2節(jié)1.5V電池。每一組電源都能夠單獨(dú)關(guān)閉。電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5.2 軟件低功耗設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊主要包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。低功耗設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)層面，其中硬件為基礎(chǔ)。軟件低功耗設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）充分利用MCU的低功耗工作模式。MC13224V共設(shè)有多種休眠模式，因此必須根據(jù)實(shí)際需求，使之在需要采集、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才正常工作，其余時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。

（2）根據(jù)不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)需求設(shè)置合理的采樣間隔時(shí)間，以延長(zhǎng)電池使用壽命。

（3）優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議，包括：對(duì)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送有用數(shù)據(jù)，減少通信量；設(shè)計(jì)合理的綁定關(guān)系，使傳感器節(jié)點(diǎn)既能完成既定功能，又能避免不必要的通信造成的能量損耗。

圖7 節(jié)點(diǎn)的電源系統(tǒng)

6 傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試方法

節(jié)點(diǎn)的測(cè)試主要從軟件調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)功能、功耗分析及接口測(cè)試等方面展開。

6.1 調(diào)試軟件

采用IAR System進(jìn)行編譯調(diào)試，J-Link下載器進(jìn)行燒寫。IAR System是為單片機(jī)開發(fā)的C／C++語言集成開發(fā)環(huán)境，提供多種向?qū)Ш凸ぞ撸梢栽谝欢ǔ潭壬蠈?shí)現(xiàn)了軟件的自動(dòng)生成和可視化編程，同時(shí)支持多種類型工程。

6.2 功能測(cè)試

為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)的功能，主要是利用FreeScale ZTC進(jìn)行抓包，采用協(xié)調(diào)器組網(wǎng)等方式。

6.3 接口測(cè)試及功耗分析

接口測(cè)試的方法如下：通過USB對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接口功能設(shè)定，并和協(xié)調(diào)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，再外接相應(yīng)的傳感器或設(shè)備來測(cè)試其功能是否正常。

文獻(xiàn)表明[10～12]，功耗的大小主要取決于睡眠狀態(tài)時(shí)的電流、降低正常工作狀態(tài)的工作時(shí)間，因此調(diào)試的重點(diǎn)在如何降低睡眠狀態(tài)的電流、減少通信容量等。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，在3V供電情況下，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗的電流為11μA，符合設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)所覆蓋的范圍越來越廣，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)提出的功能要求也越來越高，越來越復(fù)雜。本文詳細(xì)闡述了一種面向多傳感器模塊接入的低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)及性能測(cè)試方法。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具備通用型、模塊化、功能可重構(gòu)等特點(diǎn)，能夠根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，快速進(jìn)行應(yīng)用，從而節(jié)約了開發(fā)成本和時(shí)間。

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