ZigBee無線傳感網絡節點設計

基于無線傳感器網絡的特點，本文以CC2430芯片為核心設計一種用于溫濕度測量的無線傳感節點，為了降低節點功耗，在ZigBee協議棧的基礎上進行改進，為傳感節點設計了空閑、觸發和主動等3種工作模式，使節點能夠按照實際需求控制采樣的時機和速率，以減少傳感節點用于無線通信的能量開銷，從而滿足無線傳感器網絡對節點低功耗的設計要求，同時根據已知參數預測傳感節點壽命，并通過實驗進行了驗證。

0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監測區域內大量廉價微型傳感器節點組成，以無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域內感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡有助于人們更好地感知客觀世界，極大擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力，具有廣闊的應用前景。

無線傳感器網絡中的節點一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而對于有成千上萬節點的無線傳感器網絡來說，對電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無線傳感器網絡的生存時聞卻要求長達數月甚至數年。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題，也是當前國內外研究機構關注的焦點。

傳感器節點由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應模塊4部分組成。其中，前3個模塊消耗能量，由于傳感器模塊消耗能量相對較低，目前研究的重點主要集中在處理器模塊和通信模塊上。處理器模塊節能策略通常有動態電壓調節(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和動態功率管理(Dynamic Power Management，DPM)。前者的工作原理是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力，可以節約微處理器的能耗;后者是利用當節點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊處于空閑狀態，把這些組件關掉或調到更低能耗的狀態，以延長節點壽命。通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節能策略尤為重要，主要包括控制節點通信流量，合理安排工作休眠時間以及采用多跳通信方式等。

本文通過對硬件的選擇配置和軟件的靈活設計，采用3種備選工作模式，使節點能根據實際情況進行參數設置，減少節點用于無線通信的能量開銷，實現無線傳感器網絡節點的低功耗目標，同時完成相關測試對該設計方案進行驗證。

1 節點硬件設計

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低數據速率、低復雜度的雙向無線通信技術，適用于無線傳感器網絡。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。經綜合比較，該設計選用CC2430芯片，該芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協議的SoC解決方案，它在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器，最大27 mA的工作流耗及在休眠模式下0.9μA的流耗使之非常適合無線傳感節點對低功耗的要求。

在此采用深圳金圖旭昂有限公司的TSZ-CC2430開發系統，移植美國密西西比大學的精簡ZigBee協議棧，以CC2430芯片為核心設計一種用于環境監測的溫濕度傳感節點，通過軟硬件設計方法實現傳感節點的低功耗目標。

硬件連接如圖1所示，射頻芯片CC2430集成了處理器模塊和無線通信模塊，大大簡化了射頻電路的設計。

圖1 無線傳感器節點硬件連接示意圖

溫濕度傳感器SHT10的工作電壓為2.4～5.5 V，測濕精度為±4.5%RH，25℃時測溫精度為±0.5℃。SHT10采用兩條串行線與處理器進行數據通信，串行時鐘線SCK負責兩者通信同步，數據線DATA用于數據的讀取。DATA在SCK下降沿之后改變狀態，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數據傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩定。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平，故DATA線采用10 kΩ的上拉電阻。

對于供電模塊，最初設計時考慮節點體積因素，擬采用鈕扣電池。但在后來測試中發現，容量為210 mAh的CR2032型鈕扣鋰電在節點啟動瞬間，電池電壓立即由3.0V下降到2.4V，難以驅動傳感節點正常工作。分析原因是CC2430射頻工作時流耗超出電池的帶負載能力，故采用2節普通7號電池提供3.3V電源。

2 節點軟件設計

節點程序主流程如圖2所示，主要包括數據采集和無線通信兩個部分。出于傳感節點低功耗的考慮，軟件設計重點放在工作模式的處理上。

節點能耗絕大部分消耗在無線通信部分，傳感節點使用無線方式傳輸1 b到100 m遠所消耗的能量可供執行3 000條指令。可見，如何有效傳輸數據，合理安排工作休眠時間對于節約傳感節點能耗有著直接影響，這也是軟件設計應重點考慮的問題。

為了實現傳感節點的低功耗以及更優的測量性能，設計時采用工作模式的選擇，通過無線配置傳感節點的工作參數，使節點能夠按照實際需要控制采集的時機和速率，從而降低能耗，以延長節點壽命。節點工作分空閑模式、觸發模式、主動模式3種。其中，空閑模式下的節點大部分時間處于休眠狀態，只是周期性的喚醒檢查有無來自服務器的控制命令，以更好地節約能耗;觸發模式下RF關閉，只有當傳感器測量值達到設定門限后才觸發RF進行無線數據收發，同時可以根據不同的門限選擇相應的采樣率，適用于如森林火災等突發情況的監測和預警;主動模式下傳感節點按配置的采樣率進行數據采集發送，周期性轉入休眠并自動喚醒。模式選擇及相應參數配置均來自傳感器網絡服務器。對傳感節點而言，該項工作是在無線接收過程中完成的。

3 低功耗測試

鑒于功耗測試特點，傳感節點工作模式設置為主動模式，即節點周期性地進行采集、發送、休眠，獲取不同階段的工作參數，依據一定方法進行壽命預測和驗證。