ZigBee無線傳感器網絡節點能耗檢測裝置的設計

姜巖　王曉薇　衣思超

摘要 無線傳感器網絡節點通常是沒有穩定能源作為供給的，只能靠自身攜帶的電池作為能源。若無線傳感器網絡節點出現能源耗盡，則管理端不能正常顯示其傳感器節點檢測的結果，會導致管理端無從得知該網絡節點不能正常顯示的真正原因，這樣不利于整個網絡的節能，不利于延長整個網絡的使用壽命。為了解決無線傳感器網絡節點無法檢測自身能耗所帶來的問題，本論文介紹了一種無線傳感器網絡節點能耗檢測裝置。

關鍵詞 無線傳感器網絡 節點能耗檢測 裝置

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

0 概述

目前，無線傳感器網絡的相關裝置實現了對環境的檢測以及各個網絡節點進行自組織的方式構成無線傳感器網絡，無線傳感器網絡節點通常是沒有穩定能源提供能量，只能靠自身攜帶的電池作為能源。若無線傳感器網絡節點出現能源耗盡，則管理端不能正常顯示其傳感器節點檢測的結果，會導致管理端無從得知該網絡節點不能正常顯示的真正原因，即電池能量耗盡；還是傳感器節點硬件電路出現問題導致的不能正常顯示；同時也會導致無線傳感器網絡中其他節點在不知道該節點已經無法正常工作的情況下仍然會繼續將信息發送到該故障節點，這樣不利于整個網絡的節能，不利于延長整個網絡的使用壽命。

1 設計方案

1.1 本裝置的功能要求

首先，該裝置可以將傳感器節點的能耗發送給管理端，使得在管理端軟件實時讀取傳感器的能耗信息。其次，該裝置能檢測傳感器節點電池的剩余電量。再次，該裝置對于電池快枯竭的節點能自動地向管理端和其他節點發送能量即將耗盡的信息，從而避免管理端和其他節點繼續向該節點發送信息，導致不必要的浪費，以達到節能、延長整個網絡的使用壽命的目的。

1.2 采用的技術方案

在無線傳感器網絡節點上加入低功耗單片機MSP430F247。首先，MSP430實現無線傳感器網絡節點的能耗檢測，其方法是通過非常靈敏的采樣電阻對以CC2530為主要芯片的高頻發射模塊進行電壓采樣。通過RS—232串口將實時采樣信息傳遞給管理端軟件，已達到在管理端軟件實施時讀取傳感器的能耗信息。其次，利用MSP430中集成的A/D轉換器，定期采集電池電量信息進行模數轉換，將轉換得到的數字信號與預先設定的閾值相比較，若低于該閾值MSP430通過發射模塊將信息發送給管理端和其他無線傳感器節點。最后，該方案集成了傳感器模塊和高頻發射模塊，傳感器模塊由溫濕度傳感器和光照傳感器組成。傳感器將采集的光照信息或溫濕度信息通過發射模塊將信息傳遞給管理端。指示模塊由兩種不同顏色的發光二級管組成，每種顏色的二極管點亮與熄滅均代表該節點的工作狀態。

1.3 裝置的整體結構

本論文的無線傳感器網絡節點主要由MSP430F247構成的檢測模塊、Po188光照傳感器構成的光照傳感器模塊、SHT11傳感器構成的溫濕度傳感器模塊、LT2051構成的信號放大模塊、兩種不同顏色的發光二極管構成的工作狀態指示模塊、CC2530構成的2.4GHz高頻發射模塊、MSP430F247構成的能耗檢測模塊、AP1117構成的電池/電源供電模塊、MAX3223構成的串口輸出模塊。具有能耗檢測功能的無線傳感器節點結構如圖1所示。

電池電源供電模塊為整個無線傳感器網絡節點提供穩定的能量使各模塊上電工作，使用中先將光照傳感器或溫濕度傳感器插在傳感器插座上，上電后以CC2530為主的高頻發射模塊基于Zigbee技術以自組織的方式與其他傳感器網絡節點組網。光照傳感器/溫濕度傳感器感知節點周圍的光照強度/溫度、濕度，將感知的信息傳遞給與其串聯的CC2530，再通過發射模塊將感知的信息傳遞給其他節點或管理端。

提前設置在MSP430的兩個閾值（一個是電量較少的閾值，另一個是電量即將枯竭的閾值）進行比較。若電池電量低于電量較少的閾值，那么MSP430會將信號經過高頻發射模塊將信號發送給管理端或其他節點，達到少使用該節點目的，進而平衡整個網絡的電量避免因一個節點的電量提前耗盡而導致整個網絡崩潰，延長網絡使用壽命；若電量低于電量即將枯竭的閾值，那么MSP430會將信號經過高頻發射模塊將信號發送給管理端或其他節點，達到管理端或其他節點得知該傳感器電量耗盡即將不能工作，不會繼續向該節點發送信息與指令節省發射信號時所浪費的電量，進而延長網絡的使用壽命。

2 不足與展望

首先，本方案只實現了對電源能耗的監測，不能提供更有效的方式維持無線網節點的正常工作；其次，當網關節點程序連接到主控端后，若因不可控制原因網關節點掉線，程序無法自動再連接，未來需要深入研究，解決這一問題；再次，本方案只是個硬件設計，在以后的設計中，加入軟件，實現監測信息的有效存儲和直觀的顯示。

參考文獻

[1] 陳勇，劉建平.無線傳感器網絡應用綜述[J].安防科技，2009.5.

[2] 余向陽.無線傳感器網絡研究綜述[J].單片機與嵌入式系統應用，2008.8.

[3] 黨月芳.無線傳感器網絡在軍事領域中的應用研究[J].信息通信，2011.3.

[4] K.B. Lee，M.E. Reichardt，Open standards for homeland security sensor networks，IEEE Magazine on Instrumentation & Measurement，2005，12，vol.8，no.5：14—21.