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一種低功耗無線傳感節(jié)點設(shè)計

2010-03-13 09:30黃可嘉林創(chuàng)魯劉洋吳熠銘
自動化與信息工程 2010年1期
關(guān)鍵詞:低功耗功耗傳感

黃可嘉 林創(chuàng)魯 劉洋 吳熠銘

(廣東省科學(xué)院自動化工程研制中心)

1 引言

測控網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地、實時地監(jiān)測分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象信息,并對信息進行處理后傳送到監(jiān)測中心,其具有環(huán)境適應(yīng)性強、可靠性好、效率高和易于擴展等優(yōu)點,被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、物流管理、過程監(jiān)控等領(lǐng)域[1]。在對遠程小區(qū)域特別是野外監(jiān)測區(qū)域的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時,經(jīng)常會遇到采集節(jié)點不便甚至無法采用有線連接方式通信和供電的情況。傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、特別是無線通信技術(shù)的發(fā)展,為解決上述問題提供了解決手段。現(xiàn)有遠程無線傳感節(jié)點存在功耗較高、測量準(zhǔn)確度易受供電電壓影響等不足。對此,筆者提出基于時間同步的低功耗通信機制,探索采用比率測量技術(shù)、傳感電路節(jié)能測量技術(shù)、無線SOC技術(shù)等技術(shù)實現(xiàn)相同測量準(zhǔn)確度的低功耗無線傳感節(jié)點軟硬件方法的可行性。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,它主要由若干個傳感節(jié)點、若干個sink節(jié)點、移動通信網(wǎng)絡(luò)(GSM/GPRS)、監(jiān)測中心組成。各監(jiān)測區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。傳感節(jié)點采集現(xiàn)場傳感信息并通過短距RF無線信號將處理結(jié)果發(fā)送到sink節(jié)點;sink節(jié)點負責(zé)管理節(jié)點和處理傳感節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并通過GSM/GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)測中心服務(wù)器;用戶通過訪問監(jiān)測中心服務(wù)器獲知監(jiān)測區(qū)域的信息,實現(xiàn)遠程監(jiān)測。傳感器節(jié)點往往只能采用微型電池供電,對功耗非常敏感。因此,設(shè)計一種功耗低、壽命長、成本低的無線傳感器節(jié)點是構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要一環(huán)。下文將重點就無線傳感節(jié)點如何實現(xiàn)低功耗的問題展開討論。

3 無線傳感節(jié)點硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點主要由傳感獲取單元(由傳感器、信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成)、數(shù)據(jù)處理單元(由處理器、存儲器、實時時鐘等組成)、射頻傳輸單元(由FIFO緩存、數(shù)據(jù)幀解包打包和射頻收發(fā)模塊組成)以及電源部分,如圖 2所示。采用低能耗器件及節(jié)能采樣電路是降低節(jié)點的整體功耗的有效方法[2]。下文中,筆者將就影響節(jié)點功耗關(guān)鍵器件進行選型和電路設(shè)計。

圖2 無線傳感器節(jié)點硬件原理框圖

3.1 SOC無線單片機

無線通信模塊是無線傳感節(jié)點的重要組成部分,其功耗大小直接影響節(jié)點的整體功耗。MCU與 RF集成的片上系統(tǒng)(System on Chip,SOC)的推出,不僅滿足了用戶的需求,降低了成本和和功耗,也大大縮短開發(fā)時間。因此,該無線傳感節(jié)點采用Nordic公司集MCU和RF于一體的nRF24E1型無線單片機[3]。它工作在全球開放的2.4GHz ISM頻段,最大傳輸速率可達1Mb/s;包括有9個通道的10位A /D轉(zhuǎn)換器、1路SPI總線、1路PWM和1路UART等;工作電壓1.9V~3.6V;射頻模塊在發(fā)射模式下的電流消耗為10.5mA,接收模式下為18mA,在待機節(jié)能模式最小電流消耗只有2uA。

3.2 低功耗溫度監(jiān)測電路

由圖2可知,在滿足測量準(zhǔn)確度的前提下,如何降低傳感獲取單元的功耗是降低傳感節(jié)點整體功耗的重要一環(huán)。由于傳統(tǒng)采用電壓激勵的電阻型溫度傳感器的出處容易受到ADC參考電壓、激勵電壓的影響,特別是隨著電池電壓的跌落,其影響更加明顯。而采用高精度參考電壓源勢必大大增加成本。為了克服上述不足此,筆者擬采用電流激勵比率測量技術(shù)和電路節(jié)能測量技術(shù)對電阻型溫度傳感器進行準(zhǔn)確測量的同時降低功耗,其電路原理圖如圖3所示。

圖3 低功耗溫度采集電路原理圖

分析電路圖可知,ADC的測量電壓為:

其中,Kg為ADC前端放大器放大倍數(shù),IREF為激勵電流,RREF為參考電阻,RT為溫度傳感器的兩端電阻??梢姡瑴囟葌鞲衅骱蛥⒖茧娮璧亩穗妷壕S激勵電流的變化而成比率變化,激勵電流不影響溫度測量精度,其測量精度取決于參考電阻RREF[4];傳感節(jié)點的測量準(zhǔn)確度不受供電電路的電壓跌落影響。當(dāng)采用400uA直流電流激勵,選擇2.5kΩ的參考電阻以給ADC提供1V的參考電壓。

當(dāng)無線單片機處于休眠狀態(tài)時,往往將ADC及外圍傳感采集電路關(guān)閉以求達到功耗的最低化。如圖4所示,無線單片機在休眠前通過將IO口DIO4信號PON下拉至低電平控制T1將ADC及外圍傳感采集電路斷電;喚醒后通過將PON信號置為高電平開啟ADC及外圍傳感采集電路進行數(shù)據(jù)采集。ADC及外圍傳感采集電路上電時間取決于采集時間長度TS,斷電時間等于休眠時間TPD,其通斷頻率隨節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)采集頻率而節(jié)能測量以實現(xiàn)低功耗。

4 低功耗機制和軟件設(shè)計

無線通信占了整個無線傳感節(jié)點能耗的主要部分。因此,對無線收發(fā)子系統(tǒng)的能耗管理非常重要[5]。采取減少通信流量、增加休眠時間、使用多跳短距離無線通信方式等方法可減少通信模塊能耗。筆者擬通過時間同步低功耗通信機制的方法來降低節(jié)點功耗。

4.1 時間同步低功耗機制

無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種狀態(tài)。無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)和接受狀態(tài)的都要消耗大量電能,而在休眠態(tài)的能量消耗最少。如何讓通信更有效率,減少不必要的接受和接收時間,增長節(jié)點處于休眠狀態(tài)的時間是傳感器通信協(xié)議設(shè)計需要重點考慮的問題[5]。為此,我們采用一種基于時間同步的低功耗通信機制,使傳感節(jié)點和sink節(jié)點之間約定在特定的時間段內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸而其余時間休眠。該通信機制的流程圖如圖4所示。sink節(jié)點通過呼叫幀同步傳感節(jié)點時間、設(shè)置休眠周期和啟動數(shù)據(jù)采集等操作;傳感節(jié)點將采樣結(jié)果回送sink節(jié)點后進入接收模式等待sink節(jié)點的數(shù)據(jù)接受及校驗成功確認幀;傳感節(jié)點收到確認幀后進入休眠模式;傳感節(jié)點在預(yù)設(shè)的時間到達后,開門狗喚醒CPU進入接收態(tài)等待sink節(jié)點的呼叫幀;sink節(jié)點也經(jīng)歷同樣時間后喚醒開始新一輪的數(shù)據(jù)采集與傳輸。該機制的實質(zhì)為通過時間同步實現(xiàn) sink節(jié)點和傳感節(jié)點在幾乎相同的時刻喚醒并進行數(shù)據(jù)通信來降低通信時間、提高通信效率并延長休眠時間。

圖4 時間同步通信流程圖

4.2 軟件設(shè)計

由于各個監(jiān)測區(qū)域中的傳感節(jié)點對功耗敏感,系統(tǒng)傳感節(jié)點在工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間輪換工作,其工作時間和休眠周期由sink節(jié)點控制并實現(xiàn)同步,主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集及上傳任務(wù);sink節(jié)點是各個監(jiān)測區(qū)域的控制中心和數(shù)據(jù)匯聚中心,負責(zé)處理傳感節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù),檢測及管理傳感節(jié)點,并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)測中心通信。節(jié)點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 傳感節(jié)點程序流程圖

5 實驗結(jié)果

傳感器采用PT100箔電阻溫度傳感器,其靈敏度為0.385Ω/℃,測量范圍為-50℃~450℃,為獲得1℃測量精度,采用容差為0.1%的參考電阻RREF。傳感節(jié)點采集3次溫度值平均計算得到傳感器電阻值,經(jīng)查表、線性插值求解實時溫度值并將結(jié)果傳送到sink節(jié)點完成一次數(shù)據(jù)采集任務(wù)。測試表明,傳感節(jié)點休眠消耗電流為2.45uA,要好于類似研究成果[6];傳感節(jié)點在不同電池電壓下,不同狀態(tài)的功耗和溫度測量結(jié)果如表1所示。傳感節(jié)點處的溫度真值由Fluke8846A搭配箔電阻溫度傳感器測得為16.32℃(標(biāo)稱測量不確定度為0.06℃)。在3.0V供電下,單次數(shù)據(jù)采集所需采樣時間20ms,發(fā)射時間5ms,接收時間40ms,則在采樣周期為10s時節(jié)點的平均電流約為93uA;在電池電壓跌落18.2%的條件下,溫度測量準(zhǔn)確度沒受影響。

表1 傳感節(jié)點在不同電壓下不同狀態(tài)下功耗及測量結(jié)果

6 結(jié)語

為實現(xiàn)遠程無線傳感節(jié)點的低功耗,筆者提出了一種基于時間同步的低功耗通信機制,采用比率測量、傳感電路節(jié)能測量、無線 SOC等技術(shù)設(shè)計了基于 nRF24E1為核心的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點軟件和硬件。溫度測量實驗表明,無線傳感節(jié)點在采集周期為10s的條件下,節(jié)點平均電流為 93uA;電壓跌落

18.2%的條件下,溫度測量準(zhǔn)確度沒有受到影響。既實現(xiàn)無線傳感節(jié)點的超低功耗,延長節(jié)點工作時間,也保證了測量準(zhǔn)確度,具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]康軍,戴冠中,何鵬舉,郭達偉.智能分布式測控網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].測控技術(shù),2006,25(4):55~57, 60

[2]Akyildiz I., SuW, C. Wireless Sensor Networks: A Survey [J].Computer Networks, 2002, 38 (3) :393~ 422

[3]Nordic VLSI ASA.NORDIC nRF24E1 Product Specification(Revision: 1.5). http://www.nvlsi.no,2008-04-01

[4]Walter G. Jung.OP AMP Applications [M]. United States of America, 2002:78~81.

[5]張大蹤,楊濤,魏東梅. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(5):10~14

[6]楊琦,陳輝煌,石江宏.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點設(shè)計[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,47(3):357~360

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