摘 要：針對目前機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗高的問題，提出一種低功耗節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在保證機(jī)械振動信號采集性能的同時(shí)，極大的減小節(jié)點(diǎn)體積與功耗。希望可以通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低能耗設(shè)計(jì)，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的戶外作業(yè)使用壽命。

關(guān)鍵詞：低功耗；無限傳感器；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0293-01

引 言

現(xiàn)階段很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一直都在致力于對節(jié)點(diǎn)性能的提升上面，像是美國加州伯克利大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的MicaDot2節(jié)點(diǎn)，雖然性能很好，但是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗太大，使用壽命短，無法被應(yīng)用在更大規(guī)模的野外作業(yè)中，這也是本文研究的現(xiàn)實(shí)意義所在，希望可以設(shè)計(jì)出低能耗的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensors Network，WSN）是在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以協(xié)同感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能大大提高人類對物理環(huán)境的遠(yuǎn)端監(jiān)視和控制能力，實(shí)現(xiàn)信息世界、物理現(xiàn)實(shí)與人類社會的互通，因此在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往需要大規(guī)模地部署于人跡罕至的區(qū)域、災(zāi)害現(xiàn)場等，因此在可靠性、安全性等方面都面臨極大挑戰(zhàn)。能量效率、定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合和安全技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。因此如何有效地利用有限的能量資源，減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，直接影響著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，是進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)先考慮的重要約束。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，除了關(guān)鍵的處理器模塊以及射頻模塊設(shè)計(jì)，還有關(guān)于存儲器的設(shè)計(jì)，要對這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)展開外擴(kuò)存儲器的設(shè)計(jì)。對于外擴(kuò)存儲器的選擇，可以使用W25X16系列STM32單片機(jī)SPI通信程序作為Flash存儲器，在這個(gè)FLash存儲器中，存儲芯片會有8192個(gè)的可編程控制頁，每頁只有256個(gè)字節(jié)，所以該存儲器具有引腳少、體積輕巧、功能消耗低的優(yōu)勢特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在與計(jì)算機(jī)PC終端端口展開通信連接時(shí)，可以采用USB連接的方式進(jìn)行連接，進(jìn)而完成串口通信，使用CP2012 USB驅(qū)動控制器，將USB端口虛擬成為Com口，從而實(shí)現(xiàn)端口拓展，而且外圍電路穩(wěn)定、簡單，在沒有額外電源的作業(yè)情況下，可以使用USB端口對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電。

2.2 傳感器與信號調(diào)理電路

位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器雖然都能采集振動信號，但是它們的側(cè)重點(diǎn)各有不同。位移傳感器適用于測量低頻、低振幅的振動信號；速度傳感器對高頻信號靈敏度較低，因此僅適用于低中頻振動測量；加速度傳感器適用于低頻到高頻的大多數(shù)振動監(jiān)測應(yīng)用。因此，在機(jī)械振動監(jiān)測應(yīng)用中多采用加速度傳感器采集頻率較高的機(jī)械振動信號。電荷輸出型和電壓輸出型兩種加速度傳感器以其較好的精度、寬的頻率范圍廣泛用于傳統(tǒng)機(jī)械振動監(jiān)測中。但是它們的輸出信號較為微弱，需要后續(xù)的調(diào)理電路對其進(jìn)行放大。這些調(diào)理電路需要正負(fù)電源對其進(jìn)行供電，這導(dǎo)致其功耗與體積往往較大。因此，在能量受限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)使用傳統(tǒng)加速度傳感器是不經(jīng)濟(jì)的。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，MEMS加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。除價(jià)格低廉、體積微小之外，以下特點(diǎn)也使得其更加適用于電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)之中：①自身功耗極低；②可僅使用2.7～5V的單電源供電，簡化外圍電路；③輸出信號僅需經(jīng)過簡單的調(diào)理電路即可進(jìn)行濾波等后續(xù)處理。

2.3 處理器模塊

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理器模塊，可以說是整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵部分，需要處理器能夠完成對數(shù)據(jù)的處理，還能夠進(jìn)行能耗管理以及通信協(xié)議管理，最好是還支持睡眠模式。現(xiàn)階段ATMEL公司在增強(qiáng)型內(nèi)置AVR單片機(jī)系列產(chǎn)品上開發(fā)的都比較不錯。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)需求，我們可以選擇T1公司所生產(chǎn)的16位低功耗單片機(jī)，這種單片機(jī)的能耗可以實(shí)現(xiàn)μA級別，而且Msp430F149單片機(jī)可以擁有非常豐富的外設(shè)功能與低功耗特性，它的工作電壓最低為1.8V，最高可以達(dá)到3.6V，能夠支持32.768kHz的時(shí)鐘變換，該類型的單片機(jī)系統(tǒng)具有一種工作模式以及五種低消耗模式，在實(shí)際工作中可以根據(jù)實(shí)際需求完成切換。

2.4 PIR運(yùn)動檢測模塊

PIR運(yùn)動傳感器包換兩個(gè)或多個(gè)元件，這些元件輸出的電壓與入射紅外輻射量成正比。溫度不同于環(huán)境溫度的人體平行于傳感器表面運(yùn)動并穿過兩個(gè)傳感器元件的視野時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓信號。輸出電壓信號的幅值與運(yùn)動速度以及相對于傳感器的距離成正比，電壓峰峰值在幾百微伏到幾毫伏之間。由于傳感器元件的物理尺寸小，感測空間較小，通常需要將菲涅爾透鏡置于PIR傳感器的前端，通過將紅外能量放大并集中到小型傳感器元件上來拓展感測范圍。菲涅爾透鏡的形狀和尺寸決定最大檢測角和觀察區(qū)域，根據(jù)應(yīng)用所需的視野角度和檢測范圍決定選擇哪種透鏡。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)好的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，還需要擁有一套相應(yīng)的軟件來使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能達(dá)到最佳，而且軟件的設(shè)計(jì)還要有無線網(wǎng)絡(luò)通信能力，可以實(shí)現(xiàn)對傳感器節(jié)點(diǎn)資源以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的正確控制，從而保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的正常工作，這樣可以放緩節(jié)點(diǎn)能量的消耗速度，在Tiny OS系統(tǒng)中，可以進(jìn)行Nes C語言開發(fā)，再由專門的編譯器，展開對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源管理以及任務(wù)的調(diào)度。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的建立，能夠把所有孤立起來的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)系統(tǒng)，6LoWPAN協(xié)議能夠允許無線路由進(jìn)入休眠狀態(tài)并且實(shí)現(xiàn)電池供電，不單可以讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互相組網(wǎng)，還能夠讓6LoWPAN直接接入到互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中。

4 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖隙即嬖谥艽蟮牟煌?，雖然在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮定位、同步、數(shù)據(jù)融合和安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，但由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)自身能量有限且無法得到有效補(bǔ)充，因此能量有效性是無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)時(shí)需要首先考慮的因素。本文對低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，希望能夠有效的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的戶外作業(yè)使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-3-25