孫廣輝

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已深入影響到人們的日常生活。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，其工作壽命直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。其中功耗是影響無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗的研究有著極其重要的意義。基于此，本設(shè)計(jì)將從硬件和軟件兩方面對(duì)禽類環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)降低功耗方面進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。

1 家禽環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)

在家禽飼養(yǎng)過程中,禽舍內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及氨氣濃度對(duì)禽類生長有著關(guān)鍵影響。依此設(shè)計(jì)家禽環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

檢測節(jié)點(diǎn)由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線數(shù)據(jù)通信模塊以及供能模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成各種傳感器信號(hào)采集及調(diào)理，以備數(shù)據(jù)處理控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理控制模塊主要完成傳感器采集、發(fā)送控制以及數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)等整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路工作狀態(tài)的控制；無線數(shù)據(jù)通信模塊主要完成節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)通信；供能模塊主要完成電池電壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換確保各器件正常工作。

圖1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此在降低功耗設(shè)計(jì)方面優(yōu)先考慮。參考文獻(xiàn)[1]中的研究表明,硬件的功耗主要分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，動(dòng)態(tài)功耗是由硬件的負(fù)載電容充放電造成，靜態(tài)功耗主要由漏電流產(chǎn)生，可表示為：

其中,C代表負(fù)載電容；N代表電路每拍翻轉(zhuǎn)次數(shù)；V代表電壓；f代表時(shí)鐘頻率；Ileak代表漏電流。通過式(1)可清晰地看出動(dòng)態(tài)功耗與電壓的平方、負(fù)載電容值以及時(shí)鐘頻率值成正比，靜態(tài)功耗與電壓、電容漏電流成正比。因此，應(yīng)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(fù)載電容，電解電容的漏電流較大，其他電容的漏電流極小，設(shè)計(jì)電路時(shí)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(yīng)用量，設(shè)計(jì)電路時(shí)采用同一電壓進(jìn)行供電。考慮到低壓供電設(shè)計(jì)這一要求，本文選擇3.3 V的電壓為系統(tǒng)進(jìn)行供電。控制器選擇TI公司的MSP430系列單片機(jī)，具有5種低功耗模式。溫濕度傳感器選擇Scnsirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器 SHT15[2]，數(shù)據(jù)輸出采用I2C總線協(xié)議,休眠電流 3 μA。光照強(qiáng)度傳感器選擇TAOS公司的數(shù)字傳感器TSL2561，數(shù)據(jù)輸出采用I2C總線協(xié)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(zhuǎn)差分低功耗集成放大器選擇THS4521[3]。信號(hào)調(diào)理芯片選擇Anadigm公司的AN221E04[4]。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要由前端放大電路和FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路組成，前端放大電路主要完成單端轉(zhuǎn)差分、初級(jí)放大功能;FPAA技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波、二次放大功能，具體電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 電源管理電路

硬件電路中的高效、穩(wěn)定工作離不開穩(wěn)定的電源，為了使電池能夠更加穩(wěn)定、充分地放電,需要設(shè)計(jì)一種輸入電壓范圍寬、輸出恒定的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量均衡時(shí)不需要精確的電池剩余容量，只要粗略地估計(jì)出電池的能量即可。通過各種SoC測量方法對(duì)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(dǎo)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(tài)電流為 25 μA，關(guān)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(shí)現(xiàn)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(jié)鎳氫電池串聯(lián)。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(tǒng)能量均衡提供觸發(fā)參數(shù)。

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(shè)備組成，圖4給出了各單元的連接方式。SD電路主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以便上位機(jī)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查閱；蜂鳴器電路主要起到簡單報(bào)警以及故障節(jié)點(diǎn)定位作用；鍵盤電路主要完成各功能選項(xiàng)的切換。

圖4 控制器電路

電路板制作時(shí)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(shù)模分離設(shè)計(jì)方式，數(shù)字地與模擬地之間并聯(lián)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(shí)模擬地采用填充式，數(shù)字地采用網(wǎng)格式。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了提高節(jié)點(diǎn)工作性能，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)增加開機(jī)自檢模塊，開機(jī)后對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自檢，當(dāng)有問題時(shí)出錯(cuò)提示并關(guān)機(jī)，具體主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 節(jié)能控制策略

節(jié)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(shí)現(xiàn)，軟件上通過中斷程序的合理利用、器件工作模式的有機(jī)組合以及電池能量的均衡控制來降低整個(gè)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(tài)實(shí)現(xiàn)低功耗效果。傳感器數(shù)據(jù)處理時(shí)采用查表技術(shù)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與傳感器數(shù)值的對(duì)應(yīng)，以減少運(yùn)算時(shí)間，降低功耗。

通信策略上為保持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和低功耗采用請(qǐng)求應(yīng)答模式和集中發(fā)送模式。開始工作時(shí)無線傳感節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，當(dāng)收到簇節(jié)點(diǎn)或上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)集中上傳模式，沒有請(qǐng)求指令時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定數(shù)量后集中發(fā)送，以提高發(fā)送效率，降低整體發(fā)送功耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)超出參數(shù)允許范圍時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)切換到發(fā)送態(tài)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)和環(huán)境調(diào)節(jié)請(qǐng)求給上位機(jī)。

4.2 中斷程序

采用中斷模式減少CPU的工作時(shí)間；無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用中斷程序?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、電源剩余能量中斷、數(shù)據(jù)收發(fā)及轉(zhuǎn)發(fā)，傳感器采集部分通過控制器定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)；電源剩余能量、數(shù)據(jù)接收通過控制器時(shí)鐘進(jìn)行周期性的監(jiān)聽，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)后觸發(fā)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(shù)據(jù)，存儲(chǔ)能量值并發(fā)送給簇節(jié)點(diǎn)或上位機(jī)。節(jié)點(diǎn)依據(jù)無線模塊接收的上位機(jī)指令進(jìn)行相應(yīng)操作。

4.3 能量均衡程序

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首次工作時(shí)，隨機(jī)選擇簇節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)依據(jù)周圍節(jié)點(diǎn)到所選簇節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行分組，無線傳感網(wǎng)絡(luò)開始工作。具體流程如圖6所示。上位機(jī)對(duì)組網(wǎng)重新分組時(shí)選擇舊分組中距離簇節(jié)點(diǎn)最近且剩余能量大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為新簇節(jié)點(diǎn)[9-10]。簇節(jié)點(diǎn)路徑重選時(shí)采用多跳模式，選擇距離能量低于30%的傳感器節(jié)點(diǎn)最近且剩余能量大的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸。

通過采用低壓、低功耗器件，集成電路降低負(fù)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(tǒng)的功耗。同時(shí),采用集中發(fā)送模式和請(qǐng)求應(yīng)答模式、中斷數(shù)據(jù)采集、查表數(shù)據(jù)處理、最大電量剩余依據(jù)能量均衡等軟件措施來降低節(jié)點(diǎn)功耗。通過軟硬件措施的有機(jī)結(jié)合有效地降低了禽類環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)的功耗，本設(shè)計(jì)方案正在江蘇微優(yōu)軟件科技有限公司進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)營。

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圖6 能量均衡流程圖

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