限定空間無線傳感器節點電路低功耗的優化*

呂 濤，馬福昌，李卉蘋

(太原理工大學 測控技術研究所，山西 太原030024)

無線傳感器即不需要各種數據引線來連接的傳感器。它是通過具有相同網絡協議的傳感器，采用不同節點互相覆蓋重疊，利用WIFI和3G等技術，將所需信息傳遞到相應基站，再在基站中通過圖像算法處理，把信息以文字、表格或圖形等方式反映在后方操控臺上。無線傳感器網絡由大量微型無線傳感器節點組成，實現所在區域信息的采集、傳輸和定位。而節點通過蓄電池供電，但在使用過程中很難為電池充電或者更換電池，必須等到一年一次的檢修期。一旦電池沒電，此處信息便無法傳遞，可能造成重大損失[1]。限定空間中無線傳感器網通常隨機分布在沒有基礎設施的各個區域，這種無基礎設施的特性將會使其大量應用于人為操作困難的場合，如高空或海底作業、環境監測、精準農業、軍事偵察、安全反恐和地質勘測等。因此，鑒于傳感器成本和硬件條件的問題，本文研究了降低無線傳感器節點功率損耗的優化設計[2]。

早些年，國外就有了對無線傳感器網絡中節點功耗的研究，并提出了一些理論。2006年美國提出了Tmote Sky（智能塵埃）的功耗與其生命周期的理論模型；2008年巴博尼和瓦萊提出并詳細分析了MicaZ電流耗能在節點部分和充電電池的運行狀態[3]；2008年下半年，阿加瓦爾提出了一種模塊化電源估計技術來分析功耗的情況[4]；2010年，戈麥斯和坎貝爾分析了在無線網絡節點的多跳中傳輸功率控制優化，并指出：進行每個節點環節的功率控制優化要比進行整體優化節能很多[5]；2011年，艾馬瑞和戴斯分析了在無線傳感器網絡中如何降低集成電路能量消耗[6]。

1 低功耗電路系統原理及其分析

1.1 傳統的單個節點功耗計算及說明

傳統的功耗測量方法如圖1所示。已知采樣電阻的阻值為R，電源電壓為V電源，采樣電阻兩端的總電壓可通過數字示波器顯示為V采樣。設電路總電流為I，待測節點的功率為P，則：

根據式(1)，可取不同阻值的采樣電阻，繪出待測節點功率P分別與R和V采樣的關系圖，如圖 2、圖 3所示。

由式(1)可以發現，為實現低功耗運行，可以適當地提高采樣電阻的電壓或者是提高采樣電阻的阻值，而這種方法也存在著不足之處[7]。首先，觀測采樣電阻兩端的電壓時必須使用人工觀測數字示波器。由于人眼的不準確性和非連續性，觀測到的采樣電壓難免會有偏差；其次，隨著采樣電阻的增大，其兩端的壓降也逐漸增大，可能會影響無線傳感器節點的正常運行。因此，此方法為基本實驗方法，只適用于一些小型電路實驗以及對精度要求不高的測量和應用場合。

1.2 低功耗電路的選取

1.2.1 變壓器耦合推挽功放電路

變壓器耦合推挽功率放大電路如圖4所示，其主要優點是：當輸入電壓為零時，2個三極管均不導電，靜態功耗等于零；加上正弦輸入電壓后，VT1和VT2輪流導電，三極管本身的平均功耗相對較小，因此效率比較高。但是，由于變壓器體積龐大，比較笨重，消耗較多有色金屬，而且，變壓器耦合無法實現集成化。

1.2.2 恒流源差分電路

恒流源差分電路如圖5所示。在電源電壓不高的情況下，該電路既為差分放大電路設置了合適的靜態工作點電流，又大大增強了共模負反饋作用，有效地降低了電路中各個器件的功率損耗。

由圖 5可以看出，Q1、Q2、Q3組成恒流源負載的長尾式差分放大電路，此電路靜態工作點估算如下：

設電源電壓為VCC=39 V，輸入級的發射極電流為Ie=0.9 mA，則由差分放大電路可知R6上電流為2Ie，即R6上電流I=2×0.9=1.8 mA。已知ICQ=0.9 mA，所以，Q1、Q2的集電極電位UCQ=2.2×0.9=1.98 V。

由于Q1、Q2、Q3 3個三極管的型號完全相同，因此它們的有關參數均相同。設Q3的集電極電流為ICQ、基極電壓為UBQ、集電極與發射極間電壓為UCEQ，則有：

由式(2)可知，Q1、Q2的集電極電流為 0.9 mA，集電極電壓為1.98 V。通過以上對比，決定采用恒流源差分放大電路，既能大大地穩定靜態工作點，又能降低功耗，達到節能減耗的特點。

1.3 經過改進的無線傳感器節點

改進后的整體設計圖如圖6所示。

圖6 改進后的整體流程圖

2 改進的低功耗電路仿真及數據說明

2.1 反饋電路

為降低功率損耗、消除非線性失真、抑制零點漂移，在輸出端與輸入級之間加入負反饋。

圖7為未加入反饋回路時各個參數隨時間變化的曲線，圖8、圖9分別為加入負反饋后取不同的電阻測試此電路系統的各個參數。由此可見，加入負反饋后，進入穩定狀態相對較快；同時，R取值適當時，可保證系統低功耗運行。設U為所加電壓，P為消耗功率，由實驗參數及計算得到的功率如表1所示。

由表1和表2可知，加入負反饋后，降低了無線傳感器節點電路的功率消耗。如果加入合適的電阻R，則能夠保證此系統穩定地低功耗運行。

2.2 功率補償

除了加入適當反饋來降低損耗，還需要加入功率補償電路，讓無線傳感器節點正常運行，降低功率消耗。

表1 R=1 Ω時的功率表

3 軟件設計流程

如圖10所示流程，軟件部分主要是將采集回來的數據通過WIFI傳輸[8]，然后采用上位機接收數據并進行數據處理，最后在上位機實時顯示，同時發送相關數據到更高一層的指揮中心。

本文研究了加入反饋后對無線傳感器節點電路功耗的影響，通過MATLAB仿真和測定數據推導可知，加入適當的反饋可以降低無線傳感器節點電路的功耗。在未來的工作中，將進一步研究節點的覆蓋度與功耗的相關情況，同時分析無線傳感器外圍設備造成的功耗。此外，以不同的硬件對比實驗，能為傳感器節點低功耗運行提供更加詳盡的數據支持。

表2 R=10 Ω時的功率表

圖10 系統低功耗傳輸流程圖

[1]余永輝，涂巧玲，彭宇興，等.基于 CC2420的無線傳感器網絡節點低功耗研究[J].電視技術，2009，33(5)：73-75.

[2]程元，鄢楚平，雷昕，等.基于低能耗的無線傳感器節點硬件設計方法研究[J].計算機工程與設計，2008，29(24)：6221-6223.

[3]Zhang Fan，Li Wenfeng，Song Wei.Real-time energy consumption monitoring for wireless sensor nodes[J].Computer Engineering&Science，2010，32(11)：47-51.

[4]CHIASSERINI C F，RAO R R.Improving energy saving in wireless systems by using dynamic powermanagement[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2003，2(5)：1090-1110.

[5]Sausen Paulo Sergio，Spohn Marco Aurelio，Perkusich Angelo.Broadcast routing in wireless sensor networks with dynamic power management and multi-coverage backbones[J].Information Siences，2010，180(5)：653-663.

[6]RABAEY J M，CHANDRAKASAN A，NIKOLIC B.Digital integrated circuits：a design perspective[M].2nd Edition.New Jersey：Pearson Hall，2003：1-219.

[7]張大蹤，楊濤，魏東梅.一種低功耗無線傳感器網絡節點的設計[J].儀表技術與傳感器，2006(10)：54-57.

[8]鄭靖華，鄭朝霞.無線傳感器網絡節點芯片的軟/硬件協同低功耗設計技術[J].計算機與數字工程，2008，36(12)：165-168.