王剛， 晏利, 楊志宏， 吳海 ， 饒丹

(1.國網(wǎng)電力科學研究院,江蘇 南京 210000；2.河海大學,江蘇 南京 210000)

基于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的無線防誤鎖具設計

王剛1， 晏利2, 楊志宏1， 吳海1， 饒丹1

(1.國網(wǎng)電力科學研究院,江蘇 南京 210000；2.河海大學,江蘇 南京 210000)

無線傳感器網(wǎng)絡使用電池供電，能量十分有限，其功耗問題嚴重制約了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展與應用。結(jié)合無線防誤鎖具，從硬件選型和低功耗軟件設計兩個方面設計無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，降低功耗，延長網(wǎng)絡的使用壽命。

無線防誤鎖具； 無線傳感器網(wǎng)絡； 樹形網(wǎng)絡拓撲； 硬件選型； 軟件設計； 低功耗

0 引 言

得益于微機電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信技術和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡獲得了的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算機技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術，能夠通過分散布置的傳感器節(jié)點協(xié)作地進行實時監(jiān)測、感知和采集各種監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送,并以自組織多跳的網(wǎng)絡方式傳送到監(jiān)控設備。無線傳感器網(wǎng)絡體積小、成本低，一般采用電池供電，電量十分有限，頻繁更換電池十分麻煩，且在某些特殊的場合更換電池十分困難,所以必須要研究采用何種措施來降低功耗，延長電池的使用壽命[1]。本文結(jié)合無線防誤鎖具，介紹無線傳感器網(wǎng)絡的低功耗設計。

1 功能要求及組網(wǎng)方式

1.1 功能要求

無線防誤鎖具的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1，無線防誤鎖具具備一次設備狀態(tài)實時采集功能，監(jiān)控主機可實時獲得現(xiàn)場一次設備的狀態(tài)，包括臨時接地線、開關柜門、網(wǎng)門狀態(tài)，并與現(xiàn)場設備實現(xiàn)實時對位，解決部分一次設備的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)無法實時采集的問題[2]。其通信要求見表1。

圖1 無線防誤鎖具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 無線防誤鎖具通信要求

因為其通信要求有較低的數(shù)據(jù)傳輸速率與占空比、直接相互通信的節(jié)點數(shù)量有限，而且網(wǎng)絡節(jié)點的硬件資源有限，所以對低功耗的要求非常高。

1.2 組網(wǎng)方式

圖2 線防誤鎖具組網(wǎng)方式

無線防誤鎖具的組網(wǎng)方式如圖2所示，采用樹形網(wǎng)絡拓撲，AP為主節(jié)點(無線防誤鎖具管理機)，負責網(wǎng)絡的建立和管理。RE是AP的子節(jié)點，為中繼節(jié)點。ED是RE的子節(jié)點，為終端節(jié)點，即固定安裝于現(xiàn)場的采集模塊，負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行管理機下達的操作命令。終端節(jié)點之間相互不通信。RE只負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不進行數(shù)據(jù)的具體處理。

數(shù)據(jù)上行時，子節(jié)點永遠把數(shù)據(jù)發(fā)送到自己的父節(jié)點，由父節(jié)點再向上轉(zhuǎn)發(fā)，直到到達主節(jié)點。數(shù)據(jù)下行時，主節(jié)點根據(jù)存儲的路由表，再一級一級往下發(fā)，直到到達目標節(jié)點[3]。

2 低功耗設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的使用壽命決定了整個網(wǎng)絡的使用壽命，所以，網(wǎng)絡節(jié)點設計的優(yōu)良將直接影響無線傳感器網(wǎng)絡的壽命，因而其低功耗設計尤其重要。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的低功耗設計可以從硬件設計和軟件設計兩個方面展開。

2.1 硬件設計

網(wǎng)絡節(jié)點的硬件框圖如圖3所示，包括電池模塊、傳感器采集模塊和處理器及射頻模塊[4]。其核心模塊處理器及射頻模塊采用TI公司的射頻芯片CC1110。CC1110是一款專為低功耗無線應用而設計的一款低功耗低成本SoC(system-on-chip)，內(nèi)部集成了增強型低功耗8051處理器內(nèi)核和無線收發(fā)芯片CC1110，無線通信可工作在315/433/915 MHz的ISM頻段(此頻段主要是開放給工業(yè)、科學、醫(yī)學三個主要機構(gòu)使用)。

圖3 硬件框圖

CC1110有四個時鐘源，分別是高速晶振(26-27 MHz)、高速RC振蕩器(13-13.5 MHz)、32.768 kHz晶振、低速RC振蕩器(34.667-36 kHz)。

CC1110具有非常低的電流消耗。在接收狀態(tài)下電流消耗大約為16.2 mA，發(fā)射狀態(tài)下電流消耗大約為15.2 mA。CC1110支持四種低功耗模式，見表2。

在PM3模式下，所有內(nèi)部穩(wěn)壓器和振蕩器都關閉。這種模式功耗最低，所有的內(nèi)部電路(由內(nèi)部穩(wěn)壓管供電)都關閉。只有復位和外部I/O中斷處于運行狀態(tài)。在進入PM3模式之前，I/O口保留I/O模式和輸出值的設定。復位和外部中斷可以喚醒設備進入活躍模式，其電流消耗只有0.3 μA。

在PM2模式下，上電復位、外部中斷、低功耗RC振蕩器和32.768 kHz晶振、睡眠定時器(Sleep Timer)處于活躍狀態(tài)。在進入PM2模式之前，I/O口保留I/O模式和輸出值的設定。RAM中的內(nèi)容和大部分寄存器值保存下來。其他內(nèi)部電路切斷電源。PM2模式使用睡眠定時器(Sleep Timer)作為喚醒事件。PM2模式擁有第二低的功耗，其電流消耗為0.5 μA。

表2 CC1110是四種低功耗模式

2.2 軟件設計

為了降低網(wǎng)絡節(jié)點的功耗，延長網(wǎng)絡的使用壽命，除了在硬件選型方面選擇低功耗芯片外，還要在軟件設計上降低功耗。

主節(jié)點和中繼節(jié)點一直處于工作狀態(tài)，直接從市電中取電。終端節(jié)點安裝于現(xiàn)場，采用電池供電，采用睡眠喚醒機制來進行低功耗設計[5]。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點軟件流程圖

節(jié)點上電初始化后，設置睡眠定時器Sleep Timer來確定喚醒周期。Sleep Timer可用于PM0、PM1、PM2三種模式，能夠?qū)⑿酒瑥乃吣Ｊ絾拘堰M入活躍狀態(tài)，并接收即將到來的射頻數(shù)據(jù)包。SleepTimer的時鐘源為32.768 kHz晶振或者低速RC振蕩器。PM3模式雖然功耗最低，但是不能被Sleep Timer喚醒，所以采用PM2模式作為芯片的睡眠狀態(tài)。

當睡眠定時器Sleep Timer定時時間到，節(jié)點進入網(wǎng)絡偵聽狀態(tài)，接受主節(jié)點(管理機)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，其幀格式如表3所示。

表3 幀格式

幀處理軟件流程圖如圖5所示，節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包的目標地址(即from_ID)判斷消息是否發(fā)送給自己，如果是，則根據(jù)命令類型做出相應的動作，完成后進入睡眠狀態(tài)循環(huán)；如果不是，直接進入睡眠狀態(tài)循環(huán)[6]。

圖5 幀處理流程圖

3 測試與結(jié)果分析

3.1 節(jié)點部署

如圖6所示，部署八個網(wǎng)絡節(jié)點進行網(wǎng)絡的組網(wǎng)和通信能力測試，其中1為主節(jié)點，地址為1；2-8為子節(jié)點，地址分別為2-8。每兩個相鄰節(jié)點之間距離約達200 m。其中4為路由節(jié)點，只負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 低功耗測試

網(wǎng)絡節(jié)點供電電壓恒定，為3.3 V，所以只測試電流即可知道系統(tǒng)的功耗，表4為測試的結(jié)果，由此可見節(jié)點進入睡眠狀態(tài)的功耗非常低。實際應用中，節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài)，而活躍狀態(tài)的電流約為20 mA。采用電池供電(一般容量為1 000 mAh)，可使節(jié)點工作達到數(shù)年之久。

圖6 網(wǎng)絡節(jié)點部署

表4 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文結(jié)合無線防誤鎖具，設計了一種無線傳感器網(wǎng)絡，并從硬件設計和軟件設計兩個方面進行低功耗設計，將網(wǎng)絡節(jié)點的功耗進一步降低，使得節(jié)點能夠工作達數(shù)年之久，避免頻繁更換電池的麻煩。節(jié)點不僅功耗低，而且體積小、成本低，其應用非常廣泛。

[1] 魏春娟，楊俊杰，呂劍.一種低功耗無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計[J].儀表技術與傳感器,2013,40(6)：128-131.

[2] 陳沖，王瑞闖，張樂斌.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的防誤閉鎖系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電力,2009，36(5)：27-31.

[3] 威力斯.ZigBee樹形無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)院準危重病人實時監(jiān)護系統(tǒng)中的應用研究[D].上海交通大學,2013.

[4] 潘琢金，劉繼磊，羅振.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2015,36(12)：3225-3229.

[5] 李坤明，楊光友，李軍.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點的硬件設計與實現(xiàn)[J].湖北工業(yè)大學學報,2015，30(4)：9-12.

[6] 張春元.實時低功耗無線傳感器網(wǎng)絡設計[J].儀表技術與傳感器,2013,40(1)：89-91.

Design of Wireless Anti-misoperation Locks Based on Wireless Sensor Network Nodes

Wang Gang1, Yan Li2, Yang Zhihong1, Wu Hai1, Rao Dan1

(1. State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing Jiangsu 210000, China；2. Hohai University, Nanjing Jiangsu 210000, China)

As the wireless sensor network is powered by batteries with very limited energy, power consumption problem seriously restricts its development and application. In this paper, based on wireless anti-misoperation locks, wireless sensor network nodes are designed from two aspects, namely hardware selection and low power consumption software design so as to reduce power consumption and prolong the service life of the network.

wireless anti-misoperation lock；wireless sensor network； tree network topology； hardware selection；software design；low power consumption

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.005

TP3

A

1000-3886(2017)01-0013-03

王剛(1991-)，男，江蘇人，碩士生，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。 晏利(1991-)，女，江蘇人，碩士生，研究方向：控制工程。 楊志宏(1968-)，男，江蘇人，碩士，教授級高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。 吳海(1978-)，男，江蘇人，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。饒丹(1978-)，女，湖北人，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。

定稿日期: 2016-07-28