周四清 吳雙雙 劉云超

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

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基于ZigBee的無線溫濕度采集節(jié)點的低功耗設計*

周四清 吳雙雙 劉云超

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

設計了一種以電池供電的無線溫濕度采集節(jié)點，為降低節(jié)點功耗，從硬件和軟件兩方面進行了低功耗設計，從器件選型、電路設計、工作模式等方面進行了低功耗處理，使?jié)M足無線傳感網(wǎng)絡對節(jié)點低功耗的要求，并通過試驗進行了驗證。

低功耗；ZigBee；溫濕度

0 引言

傳統(tǒng)的溫度傳感器、溫度記錄儀、溫濕度變送器等廣泛用于環(huán)境、工業(yè)生產的溫濕度測量。在人員難以到達、環(huán)境惡劣等場合，傳統(tǒng)測量方式存在布線困難，長引線造成測量誤差大、測量時間長等特點。采用傳統(tǒng)的溫度傳感器、記錄儀、變送器組成的溫濕度測量系統(tǒng)在使用中存在很大的局限性。

傳統(tǒng)的無線傳輸技術如wifi、藍牙分別存在功耗高、傳輸距離短等缺點，難以應用到電池供電的溫濕度測量場合。ZigBee技術是一種低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低復雜度，適用于傳感網(wǎng)絡的雙向無線通信技術。隨著針對無線傳感網(wǎng)絡的ZigBee技術的快速發(fā)展及其在測量系統(tǒng)中的廣泛應用，無線傳輸節(jié)點單次充電持續(xù)工作時間應不少于10天，且體積重量小，便于安裝和更換。本文對應用ZigBee技術的無線溫濕度采集節(jié)點低功耗設計進行了研究，硬件與軟件設計采取了相應的措施，實現(xiàn)了無線采集節(jié)點的低功耗目標，并進行了試驗驗證。

1 節(jié)點系統(tǒng)結構

溫濕度采集節(jié)點系統(tǒng)結構見圖1，由微控制器、無線收發(fā)模塊、AD數(shù)據(jù)轉換模塊、電源管理模塊、RS232通信接口、數(shù)據(jù)存儲器等組成。

圖1 無線溫濕度采集節(jié)點原理框圖

節(jié)點系統(tǒng)考慮了現(xiàn)場測量需求，傳感器接口包括了環(huán)境測量用數(shù)字溫濕度傳感器、中溫測量用熱電阻傳感器、高溫測量用熱電偶傳感器的接口。AD轉換模塊將傳感器輸出的模擬量轉換為數(shù)字量，送入微處理器進行換算擬合后通過無線收發(fā)器發(fā)送給主機。

2 節(jié)點低功耗設計

無線溫濕度采集節(jié)點低功耗設計策略主要分為硬件低功耗設計和軟件低功耗設計兩個方面。硬件低功耗設計主要通過選用低功耗器件和簡化電路減少器件來完成。軟件低功耗設計以靈活控制器件的休眠和喚醒狀態(tài)，優(yōu)化程序流程來進行。

2.1 硬件低功耗設計

硬件低功耗設計關鍵是芯片選型。節(jié)點元器件選型要充分考慮測量性能、寬電壓性能和低功耗要求。

ZigBee無線收發(fā)模塊選用TI公司的CC2530芯片，具有寬電源電壓范圍2～3.6V，休眠功耗僅為0.4μA。主控制芯片選用TI公司的低功耗16位微控制器MSP430F2122，工作電源電壓范圍1.8～3.6V，休眠模式功耗0.7μA。AD轉換芯片采用ADI公司的24位模數(shù)轉換芯片AD7793，工作電壓2.7～5.25V，省電模式最大電流1μA。濕度傳感器選擇瑞士Sensirion公司的SHT15，工作電壓2.4～5.5V，溫度誤差±0.3℃，濕度測量誤差±2%RH，測量狀態(tài)功耗3mW，休眠狀態(tài)最大5μW。

節(jié)點測量部分的硬件電路圖如圖2所示，微控制器MSP430F2122與AD7793采用四線制SPI的通信方式，微控制器MSP430F2122與數(shù)字溫濕度傳感器采用I2C連接。RT為四線制鉑電阻溫度傳感器Pt100，R1為低溫漂參考電阻(5×10-6/℃)，C2、C3為去耦電容。IOUT1輸出1mA電流經過RT、R1，電阻R1兩端電壓作為AD芯片的采樣基準電壓以消除IOUT1輸出電流產生的誤差。

圖2 測量電路硬件原理圖

電池管理電路如圖3所示。無線采集節(jié)點采用充電電池供電，充電電池可選用鋰電池或者鋰聚合物電池。電源管理單元由充電芯片、電量管理和穩(wěn)壓芯片組成。選用Linear公司鋰電池充電芯片LTC4507，采用Linear公司的鋰電池電量管理芯片LTC2941-1，穩(wěn)壓芯片采用奧地利AMS公司的AS1360-3.3芯片。

圖3 電池管理電路

外接電源VDD輸入UB1后給電池充電，UB2通過內部串聯(lián)在SENSE+、SENSE-之間的小電阻實現(xiàn)充放電過程的電池電量計量，UB3將外部電源或者電池穩(wěn)壓至3.3V給系統(tǒng)數(shù)字部分供電，UB4將外部電源或者電池穩(wěn)壓至3.3V給系統(tǒng)模擬部分供電。微處理器通過I2C查詢UB2中記錄的電池電量數(shù)據(jù)，通過SHDN控制外部充電通斷。

2.2 節(jié)點系統(tǒng)軟件低功耗設計

節(jié)點監(jiān)測模式的采集傳輸程序流程如圖4所示，主要包括數(shù)據(jù)采集和無線通信兩個部分。電池供電系統(tǒng)對功耗要求高，軟件的低功耗設計的重點在于工作模式和芯片的低功耗處理。

3 節(jié)點低功耗測試

節(jié)點功耗主要由各芯片及傳感器組成，其典型功耗見表1，根據(jù)各電子元器件計算出的理論工作電流和休眠電流見表2。

圖4 節(jié)點軟件流程圖

表1 器件典型功耗

采用直流穩(wěn)壓電源給無線采集節(jié)點供電，利用數(shù)字多用表34401A結合上位機實時測量記錄1小時的喚醒模式和休眠模式下的平均電流，測試結果見表2。可以看出，休眠狀態(tài)下，節(jié)點功耗遠低于喚醒狀態(tài)。

表2 節(jié)點工作電流理論值與實際值

為驗證電池供電的續(xù)航能力，節(jié)點設置循環(huán)喚醒狀態(tài)時間為2s，在不同的休眠時間間隔進行測試。喚醒時，開啟無線收發(fā)功能以及溫濕度采集。供電電池采用容量1000mAh鋰聚合物電池，考慮電池自放電效應等因素，電池實際使用容量比實際要小，按800mAh的實際使用容量進行核算。實際測試工作時間見表3。

表3 節(jié)點功耗測試結果

由表3可以看出，實際測試工作時間與預計工作時間大體一致。從試驗結果可以看出，增加休眠時間可以有效延長無線溫濕度采集節(jié)點的電池使用時間。在實際使用中可以根據(jù)實際網(wǎng)絡情況和性能需求，調整無線收發(fā)開啟時間或模式、采集間隔、休眠時間等來延長節(jié)點電池使用時間。在休眠間隔設定為60s的情況下，采用兩節(jié)1000mA電池并聯(lián)時，可持續(xù)工作超過30天。

4 結束語

本文設計的采用ZigBee進行傳輸?shù)牡凸臒o線溫濕度采集節(jié)點實物見圖5，該節(jié)點采用單節(jié)點3.7V聚合物電池供電。節(jié)點可根據(jù)測量需求外接工業(yè)鉑電阻或者熱電偶進行溫度測量，也可用板載溫濕度傳感器進行溫濕度測量。

圖5 無線溫濕度采集節(jié)點硬件實物圖

無線溫濕度采集節(jié)點應用于卷煙廠生產車間和實驗室環(huán)境溫濕度穩(wěn)定性和均勻性的檢測?，F(xiàn)場應用和試驗結果表明，傳感節(jié)點達到了低功耗設計理論工作要求，功能能夠滿足無線測量和控制。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.06