秦永華　許勤

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的傳感層。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)中，低功耗成為系統(tǒng)應(yīng)用的重要制約，因此設(shè)計低功耗節(jié)點是當(dāng)前研究難題之一。在自主研發(fā)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)中，研究電源功耗問題，設(shè)計并制作完成了低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗管理；傳感節(jié)點

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0719-02

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）概念是由麻省理工學(xué)院Auto-ID研究中心（Auto-ID Labs）提出的，是指把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了一份題為《The Internet of things》的年度報告，對物聯(lián)網(wǎng)概念進行了擴展，提出了任何時刻、任何地點、任意物體之間互聯(lián)的發(fā)展遠(yuǎn)景，RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能終端（smart things）等技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用[1]。自此物聯(lián)網(wǎng)引起全球廣泛關(guān)注，并成為國家層級的發(fā)展戰(zhàn)略。

近幾年來物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)開始推廣并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，覆蓋范圍包括智能工業(yè)、智能電力、智能安保、智能家居、智能運輸、智能醫(yī)療等[2]。美國思科公司開發(fā)的“智能互聯(lián)建筑”方案，為美國硅谷網(wǎng)域存儲技術(shù)有限公司節(jié)約了15%的能源消耗；IBM提出的“智慧地球”概念，并已推出了多項物聯(lián)網(wǎng)解決方案，涵蓋多個領(lǐng)域[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全球范圍推廣，新的應(yīng)用場合的出現(xiàn)越來越多，形成對物聯(lián)網(wǎng)新的要求，其中低功耗問題逐漸成為凸顯問題之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于物聯(lián)網(wǎng)的傳感層，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件支撐。研究表明，低功耗管理系統(tǒng)在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有特殊性，還需要結(jié)合芯片特點和功能要求及成本進行進一步研究。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

構(gòu)建典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須考慮四個方面的因素：網(wǎng)絡(luò)選擇，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功耗以及兼容性[3]。在實際應(yīng)用中，由于傳感器節(jié)點需要采用電池供電，因此，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說，低功耗是無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要制約之一[4-5]。設(shè)計低功耗傳感器節(jié)點，成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)研究難題之一?，F(xiàn)有的研究主要集中在能量消耗的低功耗模塊設(shè)計，并在電源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由獨立分布的大量節(jié)點和與計算機連接的網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，獨立節(jié)點之間采用無線方式進行通信組成網(wǎng)絡(luò)。作為一種針對應(yīng)用而開發(fā)的技術(shù)，在項目無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中必須考慮實用性。安放在不同監(jiān)測點的傳感器節(jié)點實時采集外界信息，如溫度、聲音、震動等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都具備數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸功能，還能中繼傳送其它節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)，并最終通過網(wǎng)絡(luò)傳遞將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。用戶從網(wǎng)關(guān)獲取數(shù)據(jù)進行分析或查看歷史數(shù)據(jù)記錄。

本設(shè)計為自主研發(fā)的智能公交系統(tǒng)，以RFID通信新技術(shù)為基礎(chǔ)，以嵌入式系統(tǒng)作為平臺，以無線網(wǎng)絡(luò)為依托，數(shù)據(jù)庫支撐后臺管理。智能公交車載模型中，以ATmega328為核心，產(chǎn)生高低電平信號通過一個L298N驅(qū)動兩個減速電機運轉(zhuǎn)促使小車運動。通過尋跡模塊里的紅外對管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號經(jīng)過LM339比較后返回到單片機，單片機根據(jù)程序設(shè)計的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機驅(qū)動模塊，讓小車來實現(xiàn)前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等基本功能。公交車信息顯示包括哪路公交，終點站以哪個站點為環(huán)行線、當(dāng)?shù)貢r間等。實物如圖2所示。

3 傳感器節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)的傳感節(jié)點在部署時就擁有明確的地理位置信息，并且裝備傳感器收集相應(yīng)參數(shù)。節(jié)點包括由低功耗的處理單元、低功耗WPAN基帶單元和模擬傳感器信號處理單元組成。通過WPAN基帶單元可以無線傳送數(shù)據(jù)到基站/網(wǎng)關(guān)，通過模擬信號處理單元可以對系統(tǒng)加載的各種傳感器及GPS定位設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進行算法處理。在一般情況下，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，功耗極低。當(dāng)外界環(huán)境參數(shù)變化，電路自動喚醒，節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，并無線傳送回中心，若遇到超限信號，節(jié)點將進行模糊判斷，在確認(rèn)之后發(fā)射報警信號。

傳感器節(jié)點設(shè)計無法繞開能耗問題。根據(jù)系統(tǒng)需求來設(shè)置每個模塊的動態(tài)變化，以減小功耗。前端中的電源穩(wěn)壓電路及限流保護電路始終處于工作狀態(tài)，而對于基帶控制器的設(shè)計，采取時鐘喚醒模式，控制各子模塊的工作狀態(tài)，合理安排工作休眠時間和有效傳輸數(shù)據(jù)模式以減少節(jié)點的能耗，這在系統(tǒng)設(shè)計過程中做重點考慮。為了實現(xiàn)傳感節(jié)點的低功耗及更優(yōu)的測量性能，選擇合適的工作模式，通過無線配置傳感節(jié)點的工作參數(shù)，使節(jié)點按照應(yīng)用需要控制采集的節(jié)奏和信息數(shù)據(jù)傳輸，從而降低能耗，延長節(jié)點工作服務(wù)時間。

對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在有供能充足的情況下，所有節(jié)點的監(jiān)測模塊和數(shù)傳模塊都處于工作或等待狀態(tài)，這樣可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)即時響應(yīng)功能。如果要減小系統(tǒng)整體功耗，則設(shè)計將部分節(jié)點工作狀態(tài)調(diào)整為間歇工作方式。而將某些模塊暫時關(guān)閉通過偵聽喚醒的模式可進一步降低功耗。但是，過于精確的控制會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，甚至可能出現(xiàn)節(jié)點脫離系統(tǒng)的意外情況。所以在設(shè)計中應(yīng)在確保系統(tǒng)安全的前提下進行功耗優(yōu)化，并控制系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。

傳感器節(jié)點設(shè)計中低功耗電源是重點之一。根據(jù)工作需要，系統(tǒng)電路一般都會提供幾個不同的電壓且均有其特定用途。低功耗電源管理在多個電壓之間實現(xiàn)合理調(diào)度，應(yīng)能為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供充足的能源供給，即使條件限制維護周期較長也能實現(xiàn)節(jié)點正常工作。智能交通系統(tǒng)的車載節(jié)點電源采用ASM117芯片進行電壓轉(zhuǎn)換，設(shè)計為ATmega328P的單片機核心板、RFID集成板、LCD1602、nokia5110提供3.3V電源供電。通常為了穩(wěn)定電源信號，在電源正負(fù)極之間加上電容。電路如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)需求來設(shè)置每個模塊的動態(tài)變化，以減小功耗。前端中的電源穩(wěn)壓電路及限流保護電路始終處于工作狀態(tài)，而對于基帶控制器的設(shè)計，采取偵聽喚醒模式，控制各子模塊的工作狀態(tài)，合理安排節(jié)點的休眠時間和高效數(shù)傳據(jù)模式將減少整體能耗。為了實現(xiàn)傳感節(jié)點的低功耗與保持優(yōu)良測量性能的平衡，設(shè)計選擇工作模式，通過無線配置傳感節(jié)點的工作參數(shù)，使節(jié)點根據(jù)現(xiàn)場條件來控制采集節(jié)奏和數(shù)據(jù)傳輸，從而降低系統(tǒng)能耗，延長工作服務(wù)時間。

4 結(jié)論

設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，低功耗是必須要考慮的重要因素之一。在自主研發(fā)的智能交通系統(tǒng)中，研究了如何實現(xiàn)電源功耗優(yōu)化，設(shè)計并制作完成了低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

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