低功耗家禽環境檢測節點設計*

孫廣輝

(常州大學 信息科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

無線傳感網絡技術的發展已深入影響到人們的日常生活。無線網絡節點作為無線傳感網絡的基礎，其工作壽命直接影響著整個網絡的壽命。其中功耗是影響無線傳感網節點壽命的關鍵因素，對無線傳感網絡節點低功耗的研究有著極其重要的意義。基于此，本設計將從硬件和軟件兩方面對禽類環境監測節點降低功耗方面進行詳細優化。

1 家禽環境檢測節點

在家禽飼養過程中,禽舍內部的溫度、濕度、光照強度以及氨氣濃度對禽類生長有著關鍵影響。依此設計家禽環境檢測節點如圖1所示。

檢測節點由傳感器數據采集模塊、數據處理控制模塊、無線數據通信模塊以及供能模塊組成。數據采集模塊主要完成各種傳感器信號采集及調理，以備數據處理控制器模塊進行數據處理；數據處理控制模塊主要完成傳感器采集、發送控制以及數據的處理、存儲等整個節點電路工作狀態的控制；無線數據通信模塊主要完成節點間、節點與上位機之間的無線數據通信；供能模塊主要完成電池電壓轉換的轉換確保各器件正常工作。

圖1 節點結構框圖

2 硬件設計

硬件電路是無線傳感網絡節點設計的基礎，因此在降低功耗設計方面優先考慮。參考文獻[1]中的研究表明,硬件的功耗主要分為動態功耗和靜態功耗，動態功耗是由硬件的負載電容充放電造成，靜態功耗主要由漏電流產生，可表示為：

其中,C代表負載電容；N代表電路每拍翻轉次數；V代表電壓；f代表時鐘頻率；Ileak代表漏電流。通過式(1)可清晰地看出動態功耗與電壓的平方、負載電容值以及時鐘頻率值成正比，靜態功耗與電壓、電容漏電流成正比。因此，應在保證器件正常工作的前提下降低器件的工作電壓、頻率、漏電流、負載電容，電解電容的漏電流較大，其他電容的漏電流極小，設計電路時盡可能少地使用電解電容[1]。

2.1 主要器件選擇

為了簡化電源電路、降低器件的應用量，設計電路時采用同一電壓進行供電。考慮到低壓供電設計這一要求，本文選擇3.3 V的電壓為系統進行供電。控制器選擇TI公司的MSP430系列單片機，具有5種低功耗模式。溫濕度傳感器選擇Scnsirion公司的數字溫濕度傳感器 SHT15[2]，數據輸出采用I2C總線協議,休眠電流 3 μA。光照強度傳感器選擇TAOS公司的數字傳感器TSL2561，數據輸出采用I2C總線協議，低功耗模式電流3.2 μA。氨氣傳感器選用模擬氨氣傳感器 MQ137，采用3.3 V供電。射頻芯片選擇Nordic公司的NRF905。模擬單端轉差分低功耗集成放大器選擇THS4521[3]。信號調理芯片選擇Anadigm公司的AN221E04[4]。

2.2 信號調理電路

信號調理電路主要由前端放大電路和FPAA技術實現調理電路組成，前端放大電路主要完成單端轉差分、初級放大功能;FPAA技術主要實現信號的濾波、二次放大功能，具體電路如圖2所示。

圖2 信號調理電路

2.3 電源管理電路

硬件電路中的高效、穩定工作離不開穩定的電源，為了使電池能夠更加穩定、充分地放電,需要設計一種輸入電壓范圍寬、輸出恒定的DC-DC轉換電路。無線傳感網節點能量均衡時不需要精確的電池剩余容量，只要粗略地估計出電池的能量即可。通過各種SoC測量方法對比[5]，電壓測量法可以很好地滿足電池電量剩余量的快速估測,具體電路搭建采用二極管導通電壓法測量。

MAX856[6]輸入電壓范圍為 0.8 V～6 V，可輸出 3.3 V和 5 V兩種電壓值，靜態電流為 25 μA，關斷電流為1 μA。本文選擇3.3 V輸出，寬帶輸入電壓值使得電池能夠得以充分放電，具體實現電路如圖3所示。

圖3 電源電路

圖3中，C1、C2為電解電容 (容值為 68 μF),C3為鉭電容(容值為 0.1 μF),肖特基二極管為 1N5817,R9電阻值為3 kΩ,R10電位器的最大阻值為4.7 kΩ，電池為兩節鎳氫電池串聯。LBO端與控制器P20引腳連接，通過R9和R10比值快速、粗略地測量電池剩余容量，為系統能量均衡提供觸發參數。

2.4 控制器核心電路

控制器核心電路由各種接口及輸入、輸出設備組成，圖4給出了各單元的連接方式。SD電路主要完成數據的存儲，以便上位機對歷史數據的查閱；蜂鳴器電路主要起到簡單報警以及故障節點定位作用；鍵盤電路主要完成各功能選項的切換。

圖4 控制器電路

電路板制作時考慮到無線通信采用高頻電路，為了提高電路的抗干擾能力，采用數模分離設計方式，數字地與模擬地之間并聯去耦電容，以減少高頻噪聲和低頻噪聲的干擾。電路板制作采用雙層板，在無線模塊部分底層不放置任何器件，頂層空余部分布銅填充且通過鉆孔接地，在布銅時模擬地采用填充式，數字地采用網格式。

3 軟件設計

為了提高節點工作性能，節點設計時增加開機自檢模塊，開機后對節點進行自檢，當有問題時出錯提示并關機，具體主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 節能控制策略

節能控制策略硬件上主要通過器件工作降低工作電壓以及電源管理電路來實現，軟件上通過中斷程序的合理利用、器件工作模式的有機組合以及電池能量的均衡控制來降低整個電路的能耗[7-8]。下面詳述具體的控制方式。

4.1 主程序

主程序主要由控制器完成，通過控制控制器、采集電路及射頻芯片的工作狀態實現低功耗效果。傳感器數據處理時采用查表技術實現電信號與傳感器數值的對應，以減少運算時間，降低功耗。

通信策略上為保持系統的實時和低功耗采用請求應答模式和集中發送模式。開始工作時無線傳感節點處于接收狀態，當收到簇節點或上位機數據傳輸請求時節點將數據及時上傳。節點數據采用存儲集中上傳模式，沒有請求指令時將數據存儲在節點存儲器中，數據存儲到一定數量后集中發送，以提高發送效率，降低整體發送功耗。當節點采集數據超出參數允許范圍時，節點自動切換到發送態，發送節點各項參數和環境調節請求給上位機。

4.2 中斷程序

采用中斷模式減少CPU的工作時間；無線傳感網絡節點設計中主要應用中斷程序實現傳感器數據采集、電源剩余能量中斷、數據收發及轉發，傳感器采集部分通過控制器定時中斷實現數據的處理、存儲；電源剩余能量、數據接收通過控制器時鐘進行周期性的監聽，當檢測到數據后觸發控制器外部中斷，檢測電壓值，判斷電源剩余能量，喚醒無線模塊接收和處理數據，存儲能量值并發送給簇節點或上位機。節點依據無線模塊接收的上位機指令進行相應操作。

4.3 能量均衡程序

無線傳感器網絡首次工作時，隨機選擇簇節點，上位機依據周圍節點到所選簇節點的距離進行分組，無線傳感網絡開始工作。具體流程如圖6所示。上位機對組網重新分組時選擇舊分組中距離簇節點最近且剩余能量大的傳感器節點作為新簇節點[9-10]。簇節點路徑重選時采用多跳模式，選擇距離能量低于30%的傳感器節點最近且剩余能量大的傳感器節點進行信息傳輸。

通過采用低壓、低功耗器件，集成電路降低負載電容，合理電路布線，增加電壓管理模塊等硬件措施，從根本上降低系統的功耗。同時,采用集中發送模式和請求應答模式、中斷數據采集、查表數據處理、最大電量剩余依據能量均衡等軟件措施來降低節點功耗。通過軟硬件措施的有機結合有效地降低了禽類環境檢測節點的功耗，本設計方案正在江蘇微優軟件科技有限公司進行試驗運營。

[1]周寬久,遲宗正,西方.嵌入式軟硬件低功耗優化研究綜述[J].計算機應用研究,2010,27(2):423-428.

[2]何鵬舉,張捷,張亮亮.基于 WiFi的超低功耗溫濕度網絡傳感器設計[J].測控技術,2013,32(2):81-86.

[3]李灝.高精度智能電量計量系統設計[D].北京:華北電力大學,2011.

圖6 能量均衡流程圖

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