基于ZigBee的低功耗无线传感节点设计与实现

摘要：以CC2430芯片为核心设计一种用于温湿度测量的无线传感节点，为了降低节点功耗，在ZigBee协议栈的基础上进行改进，为传感节点设计了空闲、触发和主动等3种工作模式，使节点能够按照实际需求控制采样的时机和速率，以减少传感节点用于无线通信的能量开销，从而满足无线传感器网络对节点低功耗的设计要求，同时根据已知参数预测传感节点寿命，并通过实验进行了验证。
关键词：ZigBee；传感节点；低功耗；工作寿命

0 引言
    无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，以无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络有助于人们更好地感知客观世界，极大扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力，具有广阔的应用前景。
    无线传感器网络中的节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，而对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，对电池的更换是非常困难，甚至是不可能的。但是无线传感器网络的生存时闻却要求长达数月甚至数年。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。
    传感器节点由处理器模块、通信模块、传感器模块和能量供应模块4部分组成。其中，前3个模块消耗能量，由于传感器模块消耗能量相对较低，目前研究的重点主要集中在处理器模块和通信模块上。处理器模块节能策略通常有动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和动态功率管理(Dynamic Power Management，DPM)。前者的工作原理是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率，从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗；后者是利用当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，以延长节点寿命。通信模块消耗能量是最多的，故为其制定有效的节能策略尤为重要，主要包括控制节点通信流量，合理安排工作休眠时间以及采用多跳通信方式等。
    本文通过对硬件的选择配置和软件的灵活设计，采用3种备选工作模式，使节点能根据实际情况进行参数设置，减少节点用于无线通信的能量开销，实现无线传感器网络节点的低功耗目标，同时完成相关测试对该设计方案进行验证。

1 节点硬件设计
    ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度的双向无线通信技术，适用于无线传感器网络。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。经综合比较，该设计选用CC2430芯片，该芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee协议的SoC解决方案，它在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器，最大27 mA的工作流耗及在休眠模式下0．9μA的流耗使之非常适合无线传感节点对低功耗的要求。

    在此采用深圳金图旭昂有限公司的TSZ-CC2430开发系统，移植美国密西西比大学的精简ZigBee协议栈，以CC2430芯片为核心设计一种用于环境监测的温湿度传感节点，通过软硬件设计方法实现传感节点的低功耗目标。
    硬件连接如图1所示，射频芯片CC2430集成了处理器模块和无线通信模块，大大简化了射频电路的设计。

    温湿度传感器SHT10的工作电压为2．4～5．5 V，测湿精度为±4．5％RH，25℃时测温精度为±0．5℃。SHT10采用两条串行线与处理器进行数据通信，串行时钟线SCK负责两者通信同步，数据线DATA用于数据的读取。DATA在SCK下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平，故DATA线采用10 kΩ的上拉电阻。
    对于供电模块，最初设计时考虑节点体积因素，拟采用钮扣电池。但在后来测试中发现，容量为210 mAh的CR2032型钮扣锂电在节点启动瞬间，电池电压立即由3．0V下降到2．4V，难以驱动传感节点正常工作。分析原因是CC2430射频工作时流耗超出电池的带负载能力，故采用2节普通7号电池提供3．3V电源。

2 节点软件设计
    节点程序主流程如图2所示，主要包括数据采集和无线通信两个部分。出于传感节点低功耗的考虑，软件设计重点放在工作模式的处理上。

    节点能耗绝大部分消耗在无线通信部分，传感节点使用无线方式传输1 b到100 m远所消耗的能量可供执行3 000条指令。可见，如何有效传输数据，合理安排工作休眠时间对于节约传感节点能耗有着直接影响，这也是软件设计应重点考虑的问题。
    为了实现传感节点的低功耗以及更优的测量性能，设计时采用工作模式的选择，通过无线配置传感节点的工作参数，使节点能够按照实际需要控制采集的时机和速率，从而降低能耗，以延长节点寿命。节点工作分空闲模式、触发模式、主动模式3种。其中，空闲模式下的节点大部分时间处于休眠状态，只是周期性的唤醒检查有无来自服务器的控制命令，以更好地节约能耗；触发模式下RF关闭，只有当传感器测量值达到设定门限后才触发RF进行无线数据收发，同时可以根据不同的门限选择相应的采样率，适用于如森林火灾等突发情况的监测和预警；主动模式下传感节点按配置的采样率进行数据采集发送，周期性转入休眠并自动唤醒。模式选择及相应参数配置均来自传感器网络服务器。对传感节点而言，该项工作是在无线接收过程中完成的。

3 低功耗测试
    鉴于功耗测试特点，传感节点工作模式设置为主动模式，即节点周期性地进行采集、发送、休眠，获取不同阶段的工作参数，依据一定方法进行寿命预测和验证。
    通过测试获取节点工作参数如表2所示，工作电压为3．3 V。可知，节点工作时流耗大，在休眠状态则小得多。因此，为保证在供电电量有限的情况下获得更长的工作寿命，有必要将节点设置为间歇式工作模式，即工作休眠周期性交替进行。下式为节点寿命预测公式：
   
    式中：Td为节点可工作天数；Qb为可用电池容量；tw为每周期内工作时长；ts为每周期内休眠时长；Iw为工作电流；Is为休眠电流。根据预潮公式及假定电池可用容量为1 000 mAh，可以预测在不同休眠时长下的工作天数如表3所示。对特定的传感节点，其单周期内数据采集、处理、发送所占用的工作时长是一定的，可变的就是休眠时长，通过控制传感节点不同的休眠时长来获取其相应的工作寿命特性。由表3可知，随着休眠时长的增加，节点工作寿命随之延长，当休眠时长为60s，即1 min进行1次数据采集发送时，传感器节点能够连续使用约1年时间。

    在实际测试过程中，采用孚安特锂电ER14250H和普通7号南孚碱性电池进行比对实验，前者电池容量为1 200 mAh，后者无容量标识，但根据其官方网站测试说明，估计亦在1 200 mAh左右。考虑长时间测试中电池自放电效应，其实际可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的预测结果进行比较。实验得到节点实际可工作天数如表3所示，测试结果与预测趋势大体上是一致的，传感节点可工作天数与其在一个工作周期内的休眠时长相关。所以，为延长传感节点寿命，有必要根据实际情况确定节点的工作休眠时间，在保证网络稳定性、数据可靠性的前提下尽量安排更多的休眠时间。另外，在组网测试中，传感节点单跳距离约60 m，自组织特性良好，传感节点可以选择较优路由入网，服务器对终端传感节点的数据获取、监测、控制功能均正常。该设计实现的温湿度传感节点如图3所示，电路由CC2430射频板和传感器底板组成，两者通过12 pin×2接口连接，方便安装使用。

4 结语
    本文介绍了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计与实现，并进行了测试。实验结果表明，传感节点具备低功耗特性，能够通过无线实施灵活的测量和控制，满足无线传感器网络要求。同时，节点设计方法有一定参照价值，便于移植和改进，可用于其他参量的测量与控制。诚然，降低功耗可以延长无线传感器网络节点的使用寿命，如果能够利用诸如光照、风力、震动等外界能量，从而使传感节点有效地自我补给，这对于野外部署的无线传感器网络将有着积极意义。