基于ARM7的無線傳感器網絡節點能量管理初探

1 引言

微小的、資源非常有限的無線傳感器網絡節點是無傳感器網絡的基本功能單元，擔負著信息采集、數據處理、信息傳輸等重任。

　　隨著MEMS技術、微電子技術、網絡技術和計算機技術的進步，逐漸使得無線傳感器網絡成為現實。研究人員利用嵌入式技術開發出了小型化板級無線 傳感器網絡節點，而這在30年前還僅是一種構想；單片無線傳感器網絡節點也已經問世，但距離實用仍有相當一段路要走。為了研究無線傳感器網絡的組網技術和 能量管理技術我們采用基于ARM7核的SOC單片機LPC2138開發了一種傳感器網絡節點(如圖1)。

2 節點設計概述

　　相對于處理器運算速度和功耗提高的幅度而言，電池性能的提高則緩慢許多，使得能量管理成為了無線傳感器網絡最大的挑戰。為了節能無線傳感器網絡 要求節點具有動態電源管理(DPM)功能，在節點空閑時應進入低功耗狀態以節省能量。實現DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術在無線通信領域有 著無可比擬的優勢，己有超過85％的無線通信設備采用了ARM技術。我們選擇了菲利浦公司生產的ARM基高性能、低功耗微控制器LPC2138構建處理單 元。

LPC2138提供了完善的DPM支持：具有休眠和掉電兩種低功耗狀態，可通過外部中斷將其喚醒；振蕩模式下支持1～30 MHz外部晶體，通過鎖相環可使CPU獲得高達60 MHz的工作頻率，為了節能采用8 MHz晶體；片內外設除了可通過外設功率控制寄存器開啟、關閉外，其工作頻率亦可通過分頻器調整為處理器時鐘頻率的1／2或1／4。另外，存儲加速功能可 極大地加快程序的運行速度，提高能量效率。這些使得LPC2138適合應用到具有相當處理能力的低功耗系統中。

為了使節點可用兩節AA電池供電，采用升壓型DC-DC MAX756構建供電單元。除了升壓外MAX756還具有電源監控的功能，當Vin(可通過R1和R3調整)低于1.25 V時，LBO引腳輸出低電平、灌電流(如圖2)。這雖不能準確給出電池荷電狀態(SOC)的多少，卻可讓傳感器節點了解其電池的荷電狀態下降到了某種程 度，節點不再適合擔任較繁重的工作了。由此改變節點的工作狀態、降低節點的功耗，達到延長節點使用時間的目的。

　數據收發單元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee標準的射頻收發芯片構建；傳感單元由溫度傳感器DS1722和光亮度傳感器TSL2561組成。通過三級管放大MCU的GPIO驅動能力，實現對它們供電的動態管理。