摘 要:針對(duì)目前機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗高的問(wèn)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(dòng)信號(hào)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(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低能耗設(shè)計(jì),延長(zhǎng)無(wú)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(wú)限傳感器;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
中圖分類號(hào):TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-7344(2018)12-0293-01
引 言
現(xiàn)階段很多無(wú)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(duì)節(jié)點(diǎn)性能的提升上面,像是美國(guó)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensors Network,WSN)是在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn),以無(wú)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(cè)區(qū)域中被感知對(duì)象的信息,并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能大大提高人類對(duì)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(huì)的互通,因此在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。
無(wú)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(chǎng)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間,是進(jìn)行無(wú)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(wú)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(chǔ)器的設(shè)計(jì),要對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)展開(kāi)外擴(kuò)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。對(duì)于外擴(kuò)存儲(chǔ)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(chǔ)器,在這個(gè)FLash存儲(chǔ)器中,存儲(chǔ)芯片會(huì)有8192個(gè)的可編程控制頁(yè),每頁(yè)只有256個(gè)字節(jié),所以該存儲(chǔ)器具有引腳少、體積輕巧、功能消耗低的優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(dòng)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(jiǎn)單,在沒(méi)有額外電源的作業(yè)情況下,可以使用USB端口對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電。
2.2 傳感器與信號(hào)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(dòng)信號(hào),但是它們的側(cè)重點(diǎn)各有不同。位移傳感器適用于測(cè)量低頻、低振幅的振動(dòng)信號(hào);速度傳感器對(duì)高頻信號(hào)靈敏度較低,因此僅適用于低中頻振動(dòng)測(cè)量;加速度傳感器適用于低頻到高頻的大多數(shù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。因此,在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)信號(hào)。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(dòng)監(jiān)測(cè)中。但是它們的輸出信號(hào)較為微弱,需要后續(xù)的調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大。這些調(diào)理電路需要正負(fù)電源對(duì)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(wú)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(wú)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(jiǎn)化外圍電路;③輸出信號(hào)僅需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理器模塊,可以說(shuō)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(duì)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?,F(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(kāi)發(fā)的都比較不錯(cuò)。根據(jù)無(wú)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(jí)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(dòng)檢測(cè)模塊
PIR運(yùn)動(dòng)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(dòng)并穿過(guò)兩個(gè)傳感器元件的視野時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)的幅值與運(yùn)動(dòng)速度以及相對(duì)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(cè)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(guò)將紅外能量放大并集中到小型傳感器元件上來(lái)拓展感測(cè)范圍。菲涅爾透鏡的形狀和尺寸決定最大檢測(cè)角和觀察區(qū)域,根據(jù)應(yīng)用所需的視野角度和檢測(cè)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(wú)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(lái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信能力,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yǔ)言開(kāi)發(fā),再由專門(mén)的編譯器,展開(kāi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源管理以及任務(wù)的調(diào)度。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的建立,能夠把所有孤立起來(lái)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(wú)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(yǔ)
無(wú)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(wú)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)自身能量有限且無(wú)法得到有效補(bǔ)充,因此能量有效性是無(wú)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(duì)低功耗的無(wú)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(zhǎng)無(wú)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