蘭 羽

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，是由大量的、廉價的、微型的傳感器節(jié)點構(gòu)成，節(jié)點間通過自組織、多跳方式組成無線網(wǎng)絡(luò)，對陌生環(huán)境的數(shù)據(jù)采集并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心[1-2]。它是集數(shù)據(jù)感知、處理、傳輸為一體的微型系統(tǒng)，是物理世界連接計算機世界和人類社會的紐帶。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在國家安全、軍事國防、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、交通管理等領(lǐng)域已取得廣泛的應(yīng)用[2-3]。傳感節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的單元，節(jié)點一般由電池供電，能量有限，所以無線傳感器節(jié)點的能耗決定了網(wǎng)絡(luò)的性能和生存周期。目前許多商業(yè)化的傳感器節(jié)點片面追求節(jié)點性能，忽略了能耗因素，影響節(jié)點壽命，限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效生存周期[4-5]。傳感器節(jié)點的低功耗設(shè)計可有效提高節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的壽命，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。有實驗表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點90%以上能耗主要集中在微處理器和射頻芯片上[6-7]，因此，本文主要討論處理器模塊和無線模塊的低功耗控制的設(shè)計，以達到減低節(jié)點功耗的目的。

1 節(jié)點設(shè)計方案

每個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都是一個微系統(tǒng)。其可分為4個模塊：電源驅(qū)動模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊。圖1為無線節(jié)點結(jié)構(gòu)框。目前主流節(jié)點架構(gòu)有SOC架構(gòu)，處理器芯片射頻芯片各自獨立架構(gòu)、主控制器和協(xié)處理器架構(gòu)3種。

圖1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

1.1 SOC架構(gòu)(即集成處理器和射頻芯片)

該方案將微控制器和射頻芯片整合到單芯片上。優(yōu)點：可靠性高、易于開發(fā)，典型芯片有JN5319、CC2430和CC2530。缺點：靈活性差、功耗高。新推出的CC430系列芯片雖功耗低，但成本高、靈活性依然較差[8]。

1.2 處理器芯片射頻芯片各自獨立架構(gòu)

該方案微處理器器不僅承擔(dān)數(shù)據(jù)的處理，還負(fù)責(zé)功耗的控制，射頻芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)無線收發(fā)。優(yōu)點：靈活性好(可以嵌入EZMac等協(xié)議棧，Zigbee或者UCOS-2，TinyOS等操作系統(tǒng)。)，易于擴展，系統(tǒng)的整體功耗取決于系統(tǒng)的調(diào)度和芯片的功耗。典型組合MSP430型微處理器和CC2420射頻芯片[9]。

1.3 主控制器和協(xié)處理器架構(gòu)

主控制器負(fù)責(zé)運行應(yīng)用程序，協(xié)處理器運行協(xié)議棧。主控制器通過API函數(shù)控制協(xié)議的運行。優(yōu)點：主微控制器效率提高，便于維護。缺點：靈活性差，可支持的協(xié)議少，僅支持Zigbee協(xié)議。

2 主要元件選擇

2.1 微控制器的選擇

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性能優(yōu)劣主要體現(xiàn)在微處理器芯片和無線芯片選型上。微處理器的選擇首先要考慮的因素是低功耗，其次考慮性能。目前采用的較多有TI公司的MSP430系列單片機和Atemel公司的AT2mega系列單片機。幾種典型型號微處理器性能作比較如表1所示。從表1中知，MSP430系列單片機能耗方面和總體性能優(yōu)勢較明顯。MSP430系列單片機是一種16位微控制器，其具有功能強大、集成度高、低功耗[10]。特別是MSP430F2618是MSP430系列一種典型的低功耗高性能微處理器，工作電壓范圍較寬(1.8～3.6 V)，CPU時鐘頻率方面：支持的高頻至16 MHz和低頻至32 kHz之間的切換，以降低自身功耗。內(nèi)部功能模塊方面：集成有比較器、乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等[11]。在存儲器方面：存儲單元豐富， RAM為8 kB，F(xiàn)lash為116 kB，充足的容量不需再另外擴展存儲單元。在模式切換方面：喚醒時間不到1 μs，根據(jù)不同需要有5種低功耗模式，從而靈活的控制節(jié)點功耗。另外MSP430系列單片機在外設(shè)接口有IIC、SPI、UART和DMA等，這些接口在不需要時可直接屏蔽，不增加處理器功耗。基于以上特征，本文的節(jié)點的微控制器選擇MSP430F2618芯片。

表1 4種微處理器特征比較

2.2 無線射頻芯片的選擇

射頻芯片選擇需從多方面綜合考慮，涉及芯片功能、封裝大小、睡眠電流和功耗、通信頻段、通信距離、芯片外圍器件的多少、技術(shù)先進性等，另外還要考慮芯片的性價比、技術(shù)支持和開發(fā)成本等因素[11-12]。隨著IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，支持該協(xié)議低功耗芯片越要越多，F(xiàn)reescale公司發(fā)布的MC13192，Chipcon公司發(fā)布的CC2420，Ember 公司推出的EM2420，ComXs公司發(fā)布的ML7065，TI公司(并購Chipcon公司)推出的第二代2.4 G無線收發(fā)器CC2520，都具有很好競爭力。表2給出對CC2420，CC2520和MC13192各主要指標(biāo)作比較。由表2可知，CC2520的睡眠電流是最低的，電源電壓范圍最寬，1.8 V即可驅(qū)動。CC2520與CC2420比較，集成的硬件模塊增多、緩存增大、指令更加靈活、發(fā)射功率增寬、靈敏度增強、性價比提高、更小的封裝等優(yōu)點[13]。雖然CC2520相對CC2420收發(fā)射功率較大，但作為WSN的節(jié)點大部分時間是處于睡眠狀態(tài)，CC2520睡眠電流僅0.12 μA。本文節(jié)點的無線模塊選擇CC2520作為收發(fā)器件。

表2 幾種無線收發(fā)芯片主要參數(shù)

2.3 硬件總體設(shè)計

根據(jù)以上對典型的微處理器和射頻芯片性能分析，節(jié)點的處理器芯片選擇MSP430F2618，射頻芯片選擇CC2520，圖2為節(jié)點硬件總體設(shè)計方案。圖中MSP430F2618和CC2520通過SPI接口相互通信，GPIO起輔助通信作用，MSP430F2618二個通用GPIO端口分別控制CC2520的RESETn和VERG_EN端，實現(xiàn)對CC2520的復(fù)位和功耗的控制。通過晶振接口配置一個32 K的低頻晶振和一個6 M的高頻晶振。預(yù)留出IIC、SPI等通信接口以及GPIO接口以便與傳感器模塊連接。

圖2 傳感器節(jié)點框圖

3 節(jié)點低功耗設(shè)計策略

在WSN中實現(xiàn)低功耗節(jié)點，硬件設(shè)計是一方面，另外還需有芯片低功耗控制設(shè)計和低功耗協(xié)議軟件的支持。本文主要從微控制器、射頻芯片低功耗控制，以及微控制器的時鐘頻率切換等方面研究降低節(jié)點功耗措施。

3.1 微控制器低能耗控制

MSP430單片機超工作時有兩種狀態(tài)：工作狀態(tài)和低功耗狀態(tài)。當(dāng)MCU無數(shù)據(jù)處理時，節(jié)點立即切換到低功耗模式上，需要處理數(shù)據(jù)時，立即喚醒MCU進入工作模式。處理器低功耗控制策略即最大化低功耗模式的工作時間和不同狀態(tài)時鐘系統(tǒng)的切換。DCO用于CPU激活后的突發(fā)短暫運行，32 kHz晶振用于ACLK的時鐘[14]。

MSP430系列單片機低功耗微處理器，通過狀態(tài)寄存器中CPU Off、OSC Off、SCG1、SCG0位配置來實現(xiàn)工作模式，0000活動模式(AM)分，1000為低功耗模式0(LMP0)，1001低功耗模式1(LMP1)，1010為低功耗模式2(LMP2)，1011為低功耗模式3(LMP3)，1111為低功耗模式4(LMP4)。微處理器內(nèi)部集成有CPU、MCLK、SMCLK(次主時鐘) 和DCO、DC使能禁止、ACLK(輔助時鐘) 和計數(shù)器功能模塊。表3列出微處理器在不同狀態(tài)下，開啟部分模塊，其余關(guān)閉，從而最大限度地降低為控制器功耗。當(dāng)需要低功耗模式進入活動時，通過中斷將微處理器喚醒到活動模式，喚醒時間只需不到1 μs，響應(yīng)速度很快。MSP430系列單片機低功耗正是通過這些實現(xiàn)的。

2.3快速房顫患者的房顫患者和肽素與pro-BNP水平呈正相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為0.610(P=0.000)

表3 在不同工作模式CPU狀態(tài)、振蕩器及時鐘狀態(tài)

3.2 射頻芯片的低能耗控制

節(jié)點能量主要消耗在收發(fā)數(shù)據(jù)時即節(jié)點處在活動模式，這時節(jié)點能耗占系統(tǒng)總能耗90%以上。因此，系統(tǒng)在無需收發(fā)數(shù)據(jù)時射頻芯片CC2520需置于低功耗模式，以降低節(jié)點能耗。CC2520有活動模式和低功耗模式，低功耗模式有LPM1和LPM2，低功耗模式和活動模式可根據(jù)需要隨意切換。在低功耗LPM1時，時鐘關(guān)閉，數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器開啟，保持?jǐn)?shù)據(jù)；在低功耗LPM2時，時鐘關(guān)閉，數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉、時鐘關(guān)閉，不保持?jǐn)?shù)據(jù)，這時芯片內(nèi)部的模擬模塊處于電源關(guān)閉狀態(tài)，電流值僅為30 nA，芯片進入深度休眠，此時功耗極低，缺點是激活時間較長。CC2520在不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時，通過微控制器使其CC2520的VERG_ EN=0，實現(xiàn)LPM2模式芯片進入深度休眠。另外根據(jù)實際環(huán)境因素和通信距，通過軟件設(shè)置CC2520的TX2POWER寄存器的值，來調(diào)節(jié)射頻芯片CC2520的輸出功率，綜合功耗和通信距離的折中，以降低節(jié)點功耗。

3.3 微控制器的時鐘控制

有研究表明，微處理器的工作頻率和節(jié)點的功耗成正比[15]。MSP430F2618在不同的工作模式切換，時鐘頻率也進行切換，節(jié)點的晶振電路配置了高頻和低頻的晶振。低頻32 kHz和12 kHz晶振，為在節(jié)點低功耗、低速運行，以及低速外設(shè)提供時鐘；高頻6 MHz的晶振和內(nèi)部的數(shù)控振蕩器DCO，為在節(jié)點實現(xiàn)高性能、快速響應(yīng)的處理能力提供時鐘。這些時鐘源可產(chǎn)生ACLK 、SMCLK、MCLK，通過軟件可調(diào)控頻率。系統(tǒng)可節(jié)點工作模式靈活切換時鐘：例如在低功耗時選用12 kHz晶振；在節(jié)點有數(shù)據(jù)處理量大時，選用高頻6 MHz晶體提供MCLK；在節(jié)點數(shù)據(jù)處理量少時，選用用低頻32 kHz晶振。

節(jié)點在滿足上述措施后，在設(shè)計節(jié)點MAC協(xié)議時，使用能量均衡消耗，同時盡量減小數(shù)據(jù)碰撞機率，減少重傳次數(shù)，從而降低節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

4 軟件設(shè)計

節(jié)點軟件設(shè)計是在TI公司免費提供的Zstack-2.1.0-1.3.0協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，以IAR FOR MSP430為開發(fā)平臺，采用C++編程進行軟件設(shè)計。主要涉及協(xié)調(diào)節(jié)點和端節(jié)點。

4.1 協(xié)調(diào)節(jié)點軟件設(shè)計

在WSN布網(wǎng)中，協(xié)調(diào)節(jié)點作為匯聚節(jié)點，數(shù)據(jù)處理量較大，并在網(wǎng)絡(luò)整個周期中一直工作，一般固定電源供電，軟件設(shè)計協(xié)調(diào)節(jié)點時，不考慮低功耗措施。圖3為協(xié)調(diào)器工作流程，通電后節(jié)點初始化，接著掃描信道(選擇網(wǎng)絡(luò)標(biāo)和確定低能量的信道)，建立一個網(wǎng)絡(luò)，并置于開放狀態(tài)，允許外部設(shè)備加入，然后處于等待偵聽狀態(tài)，如接收到外部設(shè)備申請加入網(wǎng)絡(luò)的信號，立即發(fā)出應(yīng)答信號，接著給該設(shè)備分配一個網(wǎng)絡(luò)地址(16位)； 判斷有無上行數(shù)據(jù)，有則將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機，然后繼續(xù)偵聽。

圖3 協(xié)調(diào)器工作流程圖

4.2 端節(jié)點軟件設(shè)計

端節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，在監(jiān)測區(qū)域布置是隨機分布的，其驅(qū)動電源采用電池，壽命有限。因此，在設(shè)計端節(jié)點時盡量降低功耗。圖4為其工作流程，包含主程序流程圖(左邊部分)和中斷服務(wù)程序流程圖(右邊部分)。首先節(jié)點通電，系統(tǒng)初始化，時鐘MCLK選擇1 MHz，接著掃描信道，發(fā)出申請加入網(wǎng)絡(luò)信號，加入失敗，重新申請，直到收到響應(yīng)信號，取得網(wǎng)絡(luò)地址，表明成功進入網(wǎng)絡(luò)。隨后，端節(jié)點測量環(huán)境參數(shù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，發(fā)送完畢切換進入LPM3(低功耗模式三)，等候系統(tǒng)喚醒進入下一輪數(shù)據(jù)采集周期。

圖4 端節(jié)點工作流程圖

5 實驗及分析

測量方法：測量一個工作周期內(nèi)節(jié)點電流情況，包括收發(fā)模式下、低功耗模式下對應(yīng)電流值，節(jié)點一個周期內(nèi)功耗等于工作狀態(tài)功耗加睡眠狀態(tài)功耗。測量周期根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需要進行設(shè)置，為了測試方便，設(shè)置測量周期為10 min，而節(jié)點從系統(tǒng)節(jié)點在處理器LPM3模式與活動模式間切換，射頻芯片在深度睡眠LPM2與活動模式間切換；具體實現(xiàn)過程：

1)通過MSP430F2618使CC2520的控制端口RESETn=0，VREG_EN=0，CC2520進入LPM2模式(深度睡眠)；2)選擇ACLK時鐘，設(shè)置定時計數(shù)器周期為300 s；3)通過設(shè)置狀態(tài)寄存器SR，選擇32 K時鐘，使MSP430F2618進入LPM3模式。

定時器滿300 s，產(chǎn)生定時中斷，MSP430F2618微控制器被喚醒，進入正常工作模式，其實現(xiàn)如下：1)MSP430F2618使CC2520的控制端口VREG_ EN=1，使CC2520進入活動模式；2)端節(jié)點采集數(shù)據(jù)并傳送給協(xié)調(diào)器；3)數(shù)據(jù)傳送完畢，又使CC2520進入LPM2模式，再重啟計時器，使MSP430F2618進入LPM3模式。

通過這種方法，由定時器定期喚醒切換，節(jié)點不處理數(shù)據(jù)時進入低功耗模式，處理數(shù)據(jù)時切換至工作模式，使微處理器和射頻芯片的低功耗特性得到實現(xiàn)，從而極大地降低節(jié)點功耗。

被喚醒到完成數(shù)據(jù)收發(fā)用時不到1 s，大部分時間處于睡眠狀態(tài)。

參數(shù)設(shè)置：射頻功率：0 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率：1 Mbps，數(shù)據(jù)包大?。?2 Byte。

1)低功耗模式電流測量:本節(jié)點的低功耗模式是指射頻芯片CC2520處于LPM2模式(掉電)，微處理器MPS430F149處于LPM3模式，此時測量得到節(jié)點電流為低功耗模式電流(休眠電流)：ILPM=1.57 μA。

2)工作模式電流測量：節(jié)點工作模式是指射頻芯片CC2520處于發(fā)送模式，微處理器MPS430F149處于AM，射頻芯片CC2520處于發(fā)送模式，此時測量得到節(jié)點電流即為節(jié)點工作電流：IAM=26.1 mA。

表4 本節(jié)點與Imote節(jié)點、Mica2節(jié)點性能進行比較

一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在一個工作周期內(nèi)，其大部分時間都在休眠狀態(tài)，而數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)整個過程不要1 s。通過測量節(jié)點休眠電流ILPM，工作電流IAM，設(shè)置節(jié)點工作周期為10 min，數(shù)據(jù)操作時間1 s。一個工作周期10 min節(jié)點的能耗：

如果節(jié)點電池容量為2*700 mAh，則節(jié)點生存周期為：

表3數(shù)據(jù)表明，將設(shè)計的節(jié)點與目前傳統(tǒng)的Imote節(jié)點、Mica2節(jié)點性能進行比較，本文設(shè)計的節(jié)點功耗明顯低于二者，特別是低功耗狀態(tài)(睡眠模式)的功耗極低，在低功耗模式下的休眠電流達到微安級。因此對于不需要頻繁采集數(shù)據(jù)的場合，本節(jié)點具有更好的優(yōu)越性，提高無線網(wǎng)絡(luò)生存周期。

6 結(jié)束語

為了降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點功耗，延長無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期。微處理器芯片和射頻芯片采用獨立架構(gòu)，選擇了低功耗的MSP430F2618處理器和CC2520射頻芯片設(shè)計了一種低功耗傳感器節(jié)點。實驗證明：在發(fā)射功率為0 dBm時，設(shè)計的節(jié)點運行電流和休眠電流(26.1 mA，1.57 μA)與傳統(tǒng)節(jié)點的Imote節(jié)點(35.1 mA，3.6 μA)、Mica2節(jié)點(56.2 mA，21 μA)比，明顯低于傳統(tǒng)節(jié)點，該節(jié)點如電池容量為2*700 mAh，工作周期為10分鐘，其壽命為7.2個月。其可在惡劣環(huán)境或者狹小空間或者戶外等，需要定期采集數(shù)據(jù)的場合應(yīng)用。