高俊堯，李俊勇，余劍，杜燕波

（1.66393部隊(duì)，保定071000；2.電子工程學(xué)院）

引 言

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日趨廣泛，越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域要求節(jié)點(diǎn)模塊不僅擁有更小的體積，而且能夠持續(xù)工作更長(zhǎng)的時(shí)間，低功耗的設(shè)計(jì)已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究的一個(gè)重要方面[1]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)可從三個(gè)方面進(jìn)行：一是硬件設(shè)計(jì)低功耗，即通過(guò)低功耗芯片選型[2]、低功耗電路設(shè)計(jì)技巧運(yùn)用[3]等多種手段降低系統(tǒng)功耗；二是工作模式低功耗，這是低功耗設(shè)計(jì)中最主要的手段，也是最有效的，它通過(guò)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)模塊“休眠—喚醒”的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)功耗控制，可以采用節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步[4]、主機(jī)模式控制[5]等方法達(dá)到降低功耗的目的；三是軟件設(shè)計(jì)低功耗，即在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從軟件著手，通過(guò)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)、切換芯片功耗模式、采用中斷驅(qū)動(dòng)模式等手段降低系統(tǒng)功耗[6]，從原理上講工作模式低功耗設(shè)計(jì)也是軟件設(shè)計(jì)低功耗的一種。

針對(duì)某傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于小范圍內(nèi)包含大量聚集的傳感器節(jié)點(diǎn)，且數(shù)據(jù)采集時(shí)間隨機(jī)，傳統(tǒng)Mesh型（網(wǎng)狀）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]和基于時(shí)間同步算法的星型傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]難以實(shí)現(xiàn)，而采用基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主機(jī)輪詢的網(wǎng)絡(luò)工作模式，能夠有效滿足系統(tǒng)需求，并可以實(shí)現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體開(kāi)發(fā)中，采用無(wú)線微控制器CC1110作為主控芯片，綜合硬件設(shè)計(jì)低功耗、工作模式低功耗和軟件設(shè)計(jì)低功耗實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)組成及硬件電路設(shè)計(jì)

圖1為基于CC1110的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，以節(jié)點(diǎn)控制器為核心，與無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)模塊以CC1110為控制核心，一方面控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一方面完成與節(jié)點(diǎn)控制器的無(wú)線通信，接受節(jié)點(diǎn)控制器的控制。節(jié)點(diǎn)電源模塊包含充電電路、可充電電池、多級(jí)電源芯片等，是電路低功耗設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)。

節(jié)點(diǎn)模塊采用電池獨(dú)立供電模式，可以利用無(wú)線充電或者太陽(yáng)能充電，大大擴(kuò)展了這種傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍和場(chǎng)合，并且設(shè)計(jì)中采用了緊縮的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、小容量可充電電池以及微小封裝外圍芯片，所以整個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊體積非常小。圖2為CC1110傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的電路原理圖。采用CC1110為控制核心的優(yōu)勢(shì)在于：CC1110是一款低成本SoC，內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型低功耗8051處理器內(nèi)核和一個(gè)無(wú)線收發(fā)芯片CC1100，無(wú)線通信可工作在315/433/915 MHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段[8]；芯片配合少量的外圍器件，即可成為一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信、控制核心。

圖2 CC1110傳感器節(jié)點(diǎn)模塊電路原理圖

圖3為電池供電模塊電路原理圖，采用RICHTECH公司的低壓差穩(wěn)壓芯片 RT9161A-42CX[9]，可輸出4.2 V電壓和最大500 m A電流，在驅(qū)動(dòng)電流為100 m A時(shí)，典型壓降為200 m V，能夠提升無(wú)線充電和太陽(yáng)能充電時(shí)的能量利用率。內(nèi)置可充電電池容量為150 m A，能夠滿足系統(tǒng)能量需求，也可以有效減小模塊的體積。

圖3 電池供電模塊電路原理圖

圖4為CC1110電池電壓檢測(cè)電路及供電模塊電路原理圖。電池在滿電狀態(tài)下能夠輸出4.2 V的電壓，這超出了CC1110正常工作時(shí)的最高電壓3.9 V，所以需要在電池輸出端添加一級(jí)的降壓或者穩(wěn)壓的過(guò)程?？梢圆捎脙煞N方式：一是利用穩(wěn)壓二極管，這種方式簡(jiǎn)單有效，但是會(huì)造成功率的大量浪費(fèi)，特別是穩(wěn)壓二極管前端一般需要一個(gè)限流電阻，在芯片休眠狀態(tài)下，此電阻也會(huì)持續(xù)耗電，直至電池電壓降到穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓（比如3.9 V）這樣電池從4.2 V到3.9 V的電量將被浪費(fèi)；二是利用集成穩(wěn)壓芯片，應(yīng)當(dāng)選用有較高轉(zhuǎn)化效率和較小自身功耗的芯片，這里選擇 RICHTECH 公司的 RT9013A-30PB[10]，不僅具有極低的噪聲適合RF應(yīng)用，而且靜態(tài)功耗只有25 μA，可以大大減小系統(tǒng)的靜態(tài)功耗。CC1110電池電壓檢測(cè)及供電模塊如圖4所示。圖4中的電阻分壓電路是用來(lái)檢測(cè)電池電量，接入CC1110的P0＿7端口，利用內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)電池電量的監(jiān)測(cè)，因?yàn)椴捎昧诵酒瑑?nèi)的1.25 V基準(zhǔn)電壓作為參考，所以外部需要準(zhǔn)確分壓來(lái)計(jì)算電池電量，分壓電阻也可以采用非精密電阻，這需要實(shí)際測(cè)量阻值并在電壓計(jì)算中調(diào)整換算系數(shù)。

RT9013A-30PB還具有使能端口，能實(shí)現(xiàn)供電的開(kāi)關(guān)控制，特別是作為傳感器電源，在傳感器沒(méi)有低功耗模式時(shí)，可由控制器直接關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)極低的功耗。圖5為RT9013A-30PB應(yīng)用于外部傳感器控制的電路原理圖，需要注意的是，該款芯片最大能提供500 m A的電流。

通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，包括電池充電電路、CC1110芯片供電電路、電壓檢測(cè)電路、傳感器供電電路等，構(gòu)建了系統(tǒng)低功耗的硬件基礎(chǔ)。但實(shí)際工作時(shí)，CC1110在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟情況下工作電流一般能達(dá)到16 m A以上，所以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的平均功耗需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的低功耗工作模式。

圖4 CC1110電池電壓檢測(cè)及供電模塊

圖5 傳感器供電模塊電路原理圖

2 基于“喚醒—偵聽(tīng)”的低功耗工作模式

CC1110具有4種低功耗模式，如表1所列。分別為PM0～PM3：在PM0模式下，CPU處于掛起狀態(tài)，其他外設(shè)可處于工作狀態(tài)；在PM1模式下，高速時(shí)鐘源全部關(guān)閉，CPU和外設(shè)都不工作，數(shù)字寄存器中的內(nèi)容不丟失，可以響應(yīng)外部中斷，系統(tǒng)處在低時(shí)鐘狀態(tài)工作，這時(shí)睡眠定時(shí)器工作，I/O保持配置狀態(tài)；PM2模式為次低功耗模式，外部中斷有效，低速振蕩器工作，睡眠定時(shí)器工作，I/O保持配置，RAM中的內(nèi)容和大部分功能寄存器內(nèi)容保持，其他內(nèi)部電路關(guān)閉，這種模式下可用睡眠定時(shí)器喚醒系統(tǒng)；PM3模式為系統(tǒng)最低功耗模式，內(nèi)部數(shù)字穩(wěn)壓模塊關(guān)閉，內(nèi)部電路全部斷電，只有復(fù)位、外部中斷有效，I/O保持配置和輸出狀態(tài)，這時(shí)只能通過(guò)復(fù)位或者外部中斷喚醒系統(tǒng)。

表1 CC1110低功耗工作模式

低功耗的無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用的是PM2工作模式，因?yàn)镻M3模式必須通過(guò)外部干預(yù)才能夠喚醒，不符合設(shè)計(jì)要求。PM2模式的低功耗算法采用基于“喚醒—偵聽(tīng)”的工作方式，CC1110開(kāi)始即進(jìn)入PM2睡眠工作模式，待睡眠定時(shí)器完成計(jì)數(shù)后，喚醒系統(tǒng)進(jìn)入全速工作狀態(tài)，開(kāi)啟無(wú)線接收功能，偵聽(tīng)頻道信息。如果接收到主機(jī)喚醒工作指令，那么恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，如果在設(shè)定的偵聽(tīng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到主機(jī)指令或者非本機(jī)指令，則重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并設(shè)定睡眠定時(shí)器進(jìn)入下一次的“喚醒—偵聽(tīng)”循環(huán)。圖6為“喚醒—偵聽(tīng)”無(wú)線節(jié)點(diǎn)低功耗的工作流程，其中無(wú)線節(jié)點(diǎn)在完成主機(jī)命令后，可在休眠指令下再次進(jìn)入休眠模式。

圖6 “喚醒—偵聽(tīng)”無(wú)線節(jié)點(diǎn)低功耗工作流程

針對(duì)上面思路設(shè)計(jì)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)控制器喚醒程序設(shè)計(jì)時(shí)需要注意幾點(diǎn)：一是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的自主喚醒時(shí)間是隨機(jī)的，所以節(jié)點(diǎn)控制器要在節(jié)點(diǎn)睡眠和喚醒時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)送喚醒命令，這樣如果節(jié)點(diǎn)設(shè)置較長(zhǎng)的睡眠時(shí)間，那么可以有效降低系統(tǒng)的平均功耗，但是會(huì)增加節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)送喚醒命令的時(shí)間，所以需要在功耗和性能之間權(quán)衡；二是當(dāng)一個(gè)區(qū)域存在多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以設(shè)置多條控制命令，例如單個(gè)節(jié)點(diǎn)，或全部節(jié)點(diǎn)喚醒，或者全部節(jié)點(diǎn)睡眠。

3 測(cè)試計(jì)算

圖7為節(jié)點(diǎn)模塊的功耗測(cè)試電路實(shí)物圖，包含了CC1110模塊、無(wú)線充電模塊、充電供電模塊以及兩路傳感器供電模塊。傳感器的供電測(cè)試采用外接負(fù)載電阻的方式模擬。

系統(tǒng)應(yīng)用中，設(shè)置節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間為2 s，節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間為10 ms，節(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)的平均電流為20 mA（開(kāi)啟無(wú)線收發(fā)，系統(tǒng)全速工作，不考慮傳感器功耗），睡眠狀態(tài)下測(cè)試節(jié)點(diǎn)的電流為0.2 m A（包含3路RT9013A-30PB以及整個(gè)CC1110模塊）?？梢杂?jì)算出系統(tǒng)工作的平均電流為0.3 m A，則電池充滿后，可以在待機(jī)情況下使用500小時(shí)。

圖7 功耗測(cè)試電路實(shí)物圖

結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)綜合硬件電路設(shè)計(jì)和程序流程控制，提出了一種基于CC1110的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，可以為一定范圍內(nèi)多無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的星狀網(wǎng)絡(luò)模式提供設(shè)計(jì)參考。此外，對(duì)穩(wěn)壓芯片選擇以及功耗計(jì)算進(jìn)行了分析探討。最終設(shè)計(jì)得到的節(jié)點(diǎn)不僅具有較長(zhǎng)的工作時(shí)間，而且體積小、成本低，適合應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

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