呂 濤，馬福昌，李卉蘋

(太原理工大學(xué) 測控技術(shù)研究所，山西 太原030024)

無線傳感器即不需要各種數(shù)據(jù)引線來連接的傳感器。它是通過具有相同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳感器，采用不同節(jié)點互相覆蓋重疊，利用WIFI和3G等技術(shù)，將所需信息傳遞到相應(yīng)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(wǎng)絡(luò)由大量微型無線傳感器節(jié)點組成，實現(xiàn)所在區(qū)域信息的采集、傳輸和定位。而節(jié)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(wǎng)通常隨機分布在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的各個區(qū)域，這種無基礎(chǔ)設(shè)施的特性將會使其大量應(yīng)用于人為操作困難的場合，如高空或海底作業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)、軍事偵察、安全反恐和地質(zhì)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(jié)點功率損耗的優(yōu)化設(shè)計[2]。

早些年，國外就有了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)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(jié)點部分和充電電池的運行狀態(tài)[3]；2008年下半年，阿加瓦爾提出了一種模塊化電源估計技術(shù)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的多跳中傳輸功率控制優(yōu)化，并指出：進行每個節(jié)點環(huán)節(jié)的功率控制優(yōu)化要比進行整體優(yōu)化節(jié)能很多[5]；2011年，艾馬瑞和戴斯分析了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中如何降低集成電路能量消耗[6]。

1 低功耗電路系統(tǒng)原理及其分析

1.1 傳統(tǒng)的單個節(jié)點功耗計算及說明

傳統(tǒng)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(shù)字示波器顯示為V采樣。設(shè)電路總電流為I，待測節(jié)點的功率為P，則：

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

由式(1)可以發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)低功耗運行，可以適當?shù)靥岣卟蓸与娮璧碾妷夯蛘呤翘岣卟蓸与娮璧淖柚?，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(shù)字示波器。由于人眼的不準確性和非連續(xù)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(jié)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(yīng)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(yōu)點是：當輸入電壓為零時，2個三極管均不導(dǎo)電，靜態(tài)功耗等于零；加上正弦輸入電壓后，VT1和VT2輪流導(dǎo)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(xiàn)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(shè)置了合適的靜態(tài)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(tài)工作點估算如下：

設(shè)電源電壓為VCC=39 V，輸入級的發(fā)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(guān)參數(shù)均相同。設(shè)Q3的集電極電流為ICQ、基極電壓為UBQ、集電極與發(fā)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(wěn)定靜態(tài)工作點，又能降低功耗，達到節(jié)能減耗的特點。

1.3 經(jīng)過改進的無線傳感器節(jié)點

改進后的整體設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)的各個參數(shù)。由此可見，加入負反饋后，進入穩(wěn)定狀態(tài)相對較快；同時，R取值適當時，可保證系統(tǒng)低功耗運行。設(shè)U為所加電壓，P為消耗功率，由實驗參數(shù)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(jié)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(tǒng)穩(wěn)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(jié)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(shè)計流程

如圖10所示流程，軟件部分主要是將采集回來的數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸[8]，然后采用上位機接收數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，最后在上位機實時顯示，同時發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)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(jié)點電路功耗的影響，通過MATLAB仿真和測定數(shù)據(jù)推導(dǎo)可知，加入適當?shù)姆答伩梢越档蜔o線傳感器節(jié)點電路的功耗。在未來的工作中，將進一步研究節(jié)點的覆蓋度與功耗的相關(guān)情況，同時分析無線傳感器外圍設(shè)備造成的功耗。此外，以不同的硬件對比實驗，能為傳感器節(jié)點低功耗運行提供更加詳盡的數(shù)據(jù)支持。

表2 R=10 Ω時的功率表

圖10 系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗研究[J].電視技術(shù)，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(jié)點硬件設(shè)計方法研究[J].計算機工程與設(shè)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006(10)：54-57.

[8]鄭靖華，鄭朝霞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點芯片的軟/硬件協(xié)同低功耗設(shè)計技術(shù)[J].計算機與數(shù)字工程，2008，36(12)：165-168.