王俊杰，王冠凌，楊 駿，孫少偉

(安徽工程大學(xué)安徽省檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖241000)

LR-WPAN作為一種經(jīng)濟(jì)、高效、低速率的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，已被廣泛地應(yīng)用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、安全與風(fēng)險(xiǎn)控制等領(lǐng)域。在這類應(yīng)用中不僅對(duì)傳輸速率要求更低，更重要的是要求功耗低［1］。而在不影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能的前提下，設(shè)計(jì)一種低功耗的LR-WPAN節(jié)點(diǎn)，盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗，是目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，目前對(duì)于LR-WPAN及其載體ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)還存在一些不足，如文獻(xiàn)［2］僅側(cè)重于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)，并沒有將節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)考慮在內(nèi);文獻(xiàn)［3］在節(jié)點(diǎn)的協(xié)議設(shè)計(jì)上過于復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中不易實(shí)施;文獻(xiàn)［4］沒有對(duì)節(jié)點(diǎn)的低功耗工作模式和喚醒機(jī)制進(jìn)行說明，仍有進(jìn)一步的提升空間。

本文針對(duì)上述設(shè)計(jì)中的一些不足，在綜合分析節(jié)點(diǎn)各模塊性能和能耗的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，分別從硬件和軟件2個(gè)方面入手進(jìn)行低功耗節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。在硬件低功耗設(shè)計(jì)中選擇集成度高、業(yè)界功耗最低、具有多種工作模式的MSP430F2410作為控制芯片，以功能強(qiáng)大、外圍電路簡(jiǎn)單、具有多種低功耗工作模式的CC2533作為無線通信芯片，同時(shí)選擇低功耗的SHT21作為傳感器芯片，并通過設(shè)計(jì)DC/DC電源管理電路來充分利用電池能量。在軟件低功耗設(shè)計(jì)中，結(jié)合實(shí)際需要和DPM策略配置多種工作模式，合理安排工作與休眠時(shí)間以完成工作模式的切換，有效降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)了一種LR-WPAN低功耗節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，使節(jié)點(diǎn)使用壽命更長(zhǎng)、性能更加優(yōu)越。

1 節(jié)點(diǎn)能耗分析

典型的LR-WPAN節(jié)點(diǎn)主要包括CPU模塊、無線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊。除電源模塊外，其余各模塊均是耗能模塊。各模塊的能耗情況如圖1所示［5］?？梢姛o線通信模塊是節(jié)點(diǎn)的主要能耗模塊，而空閑狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的能耗占相當(dāng)一部分比例。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特性，節(jié)點(diǎn)在大多情況下都處于空閑狀態(tài)，故可將此狀態(tài)下的部分模塊關(guān)閉，僅在適當(dāng)?shù)那闆r下將其喚醒，以達(dá)到降低能耗的目的。因此，節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)中首先需要考慮的是各模塊盡量選擇低功耗的芯片，而且要具備多種工作模式，切換方便。節(jié)點(diǎn)軟件低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用低功耗工作模式和合理的工作模式切換方法來降低節(jié)點(diǎn)的功耗。

圖1 節(jié)點(diǎn)各模塊能耗

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2為低功耗節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)框圖。CPU模塊 MSP430F2410通過 SPI接口與無線模塊CC2533相連，通過普通I/O口與傳感器SHT21相連，同時(shí)外擴(kuò)I/O口，構(gòu)建CPU編程和串口通信等電路。輔助電路包括時(shí)鐘、晶振、按鍵、顯示等電路。為實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)需要，在晶振接口分別配置高速和低速2個(gè)晶振，由8 MHz高速晶振產(chǎn)生頻率較高的主時(shí)鐘MCLK，由32 kHz低速晶振產(chǎn)生頻率較低的輔助時(shí)鐘ACLK，分別滿足CPU高速運(yùn)算和實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行的需要。

圖2 低功耗節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

節(jié)點(diǎn)中CPU采用的是TI公司的混合信號(hào)處理器MSP430F2410。該處理器內(nèi)部資源豐富，具有2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換、6組I/O口、2路UART等，突出特點(diǎn)是功耗超低，在2.2 V電源電壓、1 MHz工作頻率下的工作模式電流僅有 0.27 mA，待機(jī)模式電流為 0.3 μA，關(guān)閉模式電流更是低至0.1 μA，I/O輸入端口的漏電流最大為50 nA，遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)。而1.8～3.6 V的寬工作電壓輸入使其更適用于節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用。此外，430F2410的工作模式以先進(jìn)的方式支持低功耗設(shè)計(jì)的各種要求。共有7種低功耗工作模式，其中低功耗休眠模式有5種，可以根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置調(diào)整，最大限度降低功耗，且可在不到1 μs的時(shí)間超快速地從待機(jī)模式被喚醒。

由圖1可知，無線通信模塊是節(jié)點(diǎn)中能量消耗最大的，作為節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)的重要組成部分，采用的是TI公司的2.4GHz頻段符合IEEE802.15.4協(xié)議的新一代ZigBee芯片CC2533。該芯片基于RF4CE技術(shù)，片內(nèi)資源豐富，具有很好的集成度，外圍器件少，電路簡(jiǎn)單，僅需時(shí)鐘晶振電路、射頻輸入輸出匹配電路和CPU接口電路即可完成模塊的設(shè)計(jì)。同時(shí)，CC2533功耗極低，且性能穩(wěn)定，在2.0～3.6 V 工作電壓下支持接收、發(fā)送、空閑等多種低功耗的工作模式，且轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，接收模式的電流損耗為25 mA，發(fā)射模式的電流損耗為28.5 mA，其選擇性和敏感性指數(shù)均超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證了短距離通信的可靠性和有效性。

節(jié)點(diǎn)中傳感器模塊采用的是Sensirion公司的低功耗數(shù)字式溫濕度傳感器SHT21。SHT21是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，由于尖端采用節(jié)能運(yùn)行模式，因此具有極高的性價(jià)比，只需2根I/O口線即可完成與CPU的信息傳遞，支持休眠和測(cè)量2種工作模式，工作在小電流狀態(tài)。在3.0 V的供電電壓下，休眠模式工作電流為0.15 μA，功耗為 0.5 μW;測(cè)量模式工作電流為0.3 mA，功耗為0.9 mW。

節(jié)點(diǎn)大都工作在無人值守的地方，通常選擇電池作為供電電源。而在節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)中，可將電源模塊中的電池視為一個(gè)理想的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選擇電源管理電路來降低節(jié)點(diǎn)功耗。根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同模塊工作電源的特性，采用不同的微功耗同步升壓－降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器完成電源模塊的設(shè)計(jì)［6］。節(jié)點(diǎn)電源模塊根據(jù)鋰電池 2.7 ～4.2 V的寬電壓輸入，分別采用Linear公司的LTC3440和LTC3531進(jìn)行至3.3 V工作電壓的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。LTC3440轉(zhuǎn)換輸出提供CPU模塊、傳感器模塊和輔助模塊的工作電源，LTC3531轉(zhuǎn)換輸出則只提供無線通信模塊的工作電源，從而實(shí)現(xiàn)可關(guān)斷節(jié)點(diǎn)中某些處于不工作狀態(tài)下模塊供電電源的目的，延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間和使用壽命。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了更好實(shí)現(xiàn)低功耗節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行合理的低功耗節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。低功耗節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，其中重點(diǎn)考慮的是節(jié)點(diǎn)的工作模式選擇和切換。結(jié)合節(jié)點(diǎn)的硬件低功耗設(shè)計(jì)可知節(jié)點(diǎn)的工作模式，其中:CPU的7種低功耗工作模式可劃分為運(yùn)行、空閑和休眠3種;無線通信模塊的5種低功耗工作模式分別為接收、發(fā)送、空閑、休眠和關(guān)閉;SHT21的2種低功耗工作模式分別為休眠和測(cè)量。由此，則可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的工作模式狀態(tài)共有3×5×2=30種。從實(shí)用的角度上來說，不是所有的工作狀態(tài)模式都有意義，并且不同模式之間的轉(zhuǎn)換會(huì)消耗一定的能耗，同時(shí)有一定的時(shí)間延遲。如果工作模式轉(zhuǎn)換的能耗比節(jié)約的能量還大，則沒有必要進(jìn)行這種模式轉(zhuǎn)換。此外，由圖1知無線通信模塊中空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的功耗相差不大，結(jié)合實(shí)際和文獻(xiàn)［7］的部分思想給出節(jié)點(diǎn)的幾種典型工作狀態(tài)模式，如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行工作狀態(tài)模式

根據(jù)表1所述的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行工作狀態(tài)方式，可將節(jié)點(diǎn)歸納為主動(dòng)和休眠2種模式，其中:S0、S1、S2歸為主動(dòng)模式，可通過配置相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)，使節(jié)點(diǎn)能夠按照需要控制采集的速率和時(shí)間周期性地進(jìn)行休眠，以達(dá)到降低功耗的目的;S3、S4為休眠模式，此時(shí)各模塊均處于掉電或者休眠模式，僅進(jìn)行周期性喚醒以切換工作模式。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)工作流程

節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)硬件初始化，包括CPU初始化和CC2533初始化。通過一系列的初始化程序，完成節(jié)點(diǎn)的參數(shù)、寄存器以及工作模式的配置。初始化之后，節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的信息。在接收到允許入網(wǎng)的信息后，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。之后進(jìn)入輪循工作模式，查詢節(jié)點(diǎn)處于何種工作模式。若處于休眠模式，則按休眠模式繼續(xù)執(zhí)行程序;若處于主動(dòng)模式，則按主動(dòng)模式繼續(xù)執(zhí)行程序。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于休眠模式中會(huì)首先啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到時(shí)產(chǎn)生中斷，CPU接收到此事件的請(qǐng)求，退出休眠工作模式，開啟CC2533的供電電源，進(jìn)入主動(dòng)工作模式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于主動(dòng)模式下會(huì)首先判斷是否需要向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。若需要?jiǎng)t發(fā)送數(shù)據(jù)，并關(guān)斷CC2533的供電電源，進(jìn)入休眠工作模式;否則，判斷數(shù)據(jù)采集定時(shí)時(shí)間是否已到。若定時(shí)時(shí)間到，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與發(fā)送任務(wù)，并同樣關(guān)斷電源，進(jìn)入休眠工作模式;若定時(shí)時(shí)間未到，則進(jìn)行空閑偵聽，偵聽是否有需要接收的數(shù)據(jù)。若有則先接收數(shù)據(jù)，再關(guān)斷電源，進(jìn)入休眠工作模式;若沒有則在偵聽時(shí)間結(jié)束后關(guān)斷電源，進(jìn)入休眠模式.從而完成節(jié)點(diǎn)工作模式的選擇與切換。節(jié)點(diǎn)周期性的休眠可降低節(jié)點(diǎn)的能耗。

4 節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試

利用上述思想，設(shè)計(jì)了LR-WPAN低功耗節(jié)點(diǎn)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了性能測(cè)試，其中包括節(jié)點(diǎn)的功耗測(cè)試和通信測(cè)試。性能測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的低功耗節(jié)點(diǎn)能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量和通信兩方面的需要。

4.1 節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

節(jié)點(diǎn)中CPU模塊采用的是LPM3低功耗工作模式，無線通信模塊采用的是LPM2低功耗工作模式。通過測(cè)試獲得節(jié)點(diǎn)的功耗情況，并與國(guó)內(nèi)典型節(jié)點(diǎn)［3］的比較，結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)功耗比較

由表2可知，在主動(dòng)模式和休眠模式下，Imote 2等節(jié)點(diǎn)的功耗均超過本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)，說明本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具有更低的功耗。

4.2 通信測(cè)試

對(duì)2個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離進(jìn)行測(cè)試。在不同測(cè)試環(huán)境下，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)單向發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，發(fā)射功率不變，發(fā)送10000次，檢測(cè)到的接收信號(hào)成功率如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試時(shí)接收信號(hào)成功率 %

由表3可知，在20 m內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)、外環(huán)境下通信效果良好。而在200 m以內(nèi)，無障礙室外通信效果比較樂觀。但在室內(nèi)環(huán)境下超過100 m通信效果不太理想，特別是有金屬障礙物時(shí)，超過80 m則基本接收不到。其他節(jié)點(diǎn)以Imote 2為例，室外通信距離為75～100 m，室內(nèi)通信距離為20～30 m，因此本文節(jié)點(diǎn)通信距離仍然優(yōu)于Imote 2等節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種LR-WPAN低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。在對(duì)節(jié)點(diǎn)中各模塊性能和功耗進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，選擇基于MSP430F2410與CC2533的低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，使節(jié)點(diǎn)具有多種可選擇的低功耗工作模式，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中結(jié)合實(shí)際需要詳細(xì)闡述了節(jié)點(diǎn)典型低功耗工作模式的選擇與實(shí)現(xiàn)過程。通過節(jié)點(diǎn)的實(shí)際性能測(cè)試表明，設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具有良好的低功耗特性和通信性能，滿足LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的要求。按此方案設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)已在煙葉醇化溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行使用，目前使用效果良好。同時(shí)，此節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案有著良好的擴(kuò)展性，便于移植和改進(jìn)，可用于其他無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域中。將節(jié)點(diǎn)低功耗MAC和路由協(xié)議運(yùn)用到節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、功耗更低、功能更完善的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是下一步需要進(jìn)行的工作。

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