張文靜

（沈陽工學院信息與控制學院，遼寧 撫順113122）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量集成了傳感、數(shù)據(jù)、收集、處理和無線通信能力的小體積、低成本的傳感器節(jié)點構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，廣泛應用于軍事國防、國家安全、環(huán)境檢測等領(lǐng)域［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、任務(wù)管理節(jié)點構(gòu)成。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點因采用電池供電而能量受限，因此，節(jié)點的低功耗設(shè)計成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要關(guān)注的重點因素之一。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)填補了無線通信市場上低成本、低功耗設(shè)備領(lǐng)域的空缺，目前已經(jīng)有上百家半導體、通信領(lǐng)域的公司加入了ZigBee聯(lián)盟，具有很大的市場潛力。本文主要分析基于CC2530芯片的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗的設(shè)計方法。

1 節(jié)點低功耗問題

ZigBee技術(shù)本身就是一種低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在其協(xié)議棧的編寫過程中，已經(jīng)對其電源的使用進行了管理。在網(wǎng)絡(luò)中低功耗方式僅用于由電池供電的終端設(shè)備，對于協(xié)調(diào)器和路由器來說，它們需要維持網(wǎng)絡(luò)的存在及路由，需要時時刻刻處于工作狀態(tài)，因此需要使用主電源供電，不存在低功耗狀態(tài)。

節(jié)點電源管理主要針對的是利用電池供電的終端設(shè)備，盡量減少其短暫無線電通信之間的功耗。通常，一個終端設(shè)備在禁用功耗的外設(shè)和空閑期間進入睡眠模式。Z－Stack還提供了2種睡眠模式，輕度休眠和深度休眠。輕度睡眠在系統(tǒng)需要喚醒去執(zhí)行與預定時間延遲的活動時被使用。深度睡眠被使用的是沒有未來的活動計劃，需要外部刺激（如按一個按鈕）喚醒設(shè)備時。輕度睡眠普遍降低功耗到幾毫安，而深度睡眠減少到幾微安。睡眠的終端設(shè)備的例子產(chǎn)品包括傳感器，它被定時地喚醒以報到它們采集到的信息，還有遠程控制設(shè)備，它被用戶按鍵喚醒發(fā)送郵件。這些類型的設(shè)備的共同特點是：它們大部分時間處于睡眠模式，最大限度地減少功耗。

但是僅有這些電源管理是不夠的，雖然終端節(jié)點可以進行睡眠狀態(tài)，但是在整個數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)中，畢竟處于睡眠狀態(tài)的時間是非常短暫的，而對于終端節(jié)點來說，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是能耗最大的時刻，因此還應該采取其他方面（包括軟件、硬件）的設(shè)計，進一步減少節(jié)點的功耗，保證節(jié)點的壽命。

2 硬件設(shè)計

2.1 微控制器的選擇

根據(jù)目前市場幾個公司提供的Zig Bee通信協(xié)議產(chǎn)品特點［2］，目前市場上Zig Bee芯片的制造商主要有Freescale、TI、Ember、Jenic。芯片的主要特點如表1所示。通過表中數(shù)據(jù)可知，CC2530芯片較為合適。TI／chipcon公司的CC2530芯片，采用標準的8051微處理器，微控制器提供時鐘分配及電源管理等功能，且根據(jù)使用需求不同，其存儲器大小可調(diào)，使用方便，其他幾家生產(chǎn)的Zig Bee芯片都采用自己的微處理器。而采用8051內(nèi)核的芯片，無需重新學習微處理器結(jié)構(gòu)原理，無需重新熟悉編譯／調(diào)試工具；對片上系統(tǒng)的I／O、定時器、A／D、PWM、看門狗等，也無需重新學習。

表1 Zig Bee主流芯片參數(shù)比較

結(jié)合表1所示，從Zig Bee芯片微處理器性能［3］、協(xié)議棧及市場價格到最后的開發(fā)成本以及對芯片內(nèi)核的熟悉程度等方面綜合考慮，本文最后采用TI公司提供的CC2530模塊。該模塊存儲容量大，并且采用大家熟悉的8051處理器內(nèi)核，性能滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需求，其較低的價格，符合低成本開發(fā)、低功耗的要求。

2.2 硬件總體設(shè)計方案

根據(jù)所選擇的微處理器，低功耗節(jié)點的硬件總體設(shè)計方案如圖1所示。微處理器CC2530本身帶有射頻功能，所以不需要外加射頻芯片，CC2530通過I／O口與按鍵單元、測溫單元、串口芯片相聯(lián)，實現(xiàn)按鍵的讀取、溫度傳感器的讀寫、信息的傳輸。CC2530有32 MHz與32.768 k Hz 2個晶振。

圖1 硬件總體設(shè)計方案

3 軟件設(shè)計

從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整個應用環(huán)境分析，為了能夠?qū)⑾到y(tǒng)功耗降到最小，除了需要在硬件上做一些合理的設(shè)計外，更重要的是通過軟件設(shè)計來降低，這樣可以減少整個系統(tǒng)的成本開銷。

由于傳感器節(jié)點長期被放到需要檢測的位置，負責采集數(shù)據(jù)，影響到整個檢測系統(tǒng)的性能。對于傳感器節(jié)點來說，可以使用電池進行供電，能量消耗最大的時刻就是在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時候，而在其他時刻可以使傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集就可以。

在Zig Bee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，為了減小系統(tǒng)的功耗，已經(jīng)在程序中有一部分的設(shè)計。此部分設(shè)計如下，主要包含在以下3個文件中：

（1）OSAL＿Pwr Mgr.h OSAL電源管理的 API頭文件；

（2）OSAL＿Pwr Mgr.C OSAL電源管理的 API C文件；

（3）hal＿sleep.c底層的電源管理文件。

這3個文件主要是定義了進行的任務(wù)是否需要進入低功耗功能、怎么進入低功耗功能以及如何喚醒休眠狀態(tài)等，這些都是在網(wǎng)絡(luò)層進行的設(shè)置。

對于應用層來說，前面已經(jīng)介紹過對于傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點來說，消耗能量最大的時刻即為發(fā)送和接收階段，那么當節(jié)點在不需要進行信息發(fā)送和接收的時候，讓節(jié)點進入系統(tǒng)休眠階段，這樣就可以降低節(jié)點的功耗。同時減少接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，也可以減少節(jié)點運行的功耗，從而保證節(jié)點能夠長時間運行。設(shè)計低功耗部分程序的流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計中使用萬用表進行節(jié)點電流的測試，以確定節(jié)點的相應特性。我們只測試終端節(jié)點的電流消耗，即負責進行數(shù)據(jù)采集的傳感器節(jié)點的電流消耗測試。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，終端節(jié)點使用2節(jié)5號電池進行供電，節(jié)點入網(wǎng)后即處于休眠狀態(tài)，使用萬用表對節(jié)點芯片進行測試，可以得出以下數(shù)據(jù)：測得休眠時候的電流僅為0.95 mA，在節(jié)點發(fā)送命令或者數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器或路由器的瞬間，電流為27 mA，發(fā)送完畢后，節(jié)點定時休眠，定時醒來再次發(fā)送提取處理結(jié)果。無論在有數(shù)據(jù)傳輸還是無數(shù)據(jù)傳輸時，終端節(jié)點運行過程中的平均電流最高為8.8 mA，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每2 min請求傳送數(shù)據(jù)1次，傳感器節(jié)點接收請求和處理的時間為2 000 ms，則節(jié)點的工作能耗為：

每日總能耗不會超過3.6 mAh，其他傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送頻率等于或低于此。使用容量為1 200 mAh的2節(jié)7號或者5號電池可供電時間為：

根據(jù)式（2）計算，可供電近2年，因此滿足了系統(tǒng)的低功耗需求。參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)測試表

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)基于ZigBee的低功耗、高性能的無線傳感器節(jié)點，選擇CC2530芯片作為控制器，在硬件設(shè)計與軟件設(shè)計中采取了一些降低功耗的方法，在軟件設(shè)計中，通過降低節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的次數(shù)，來降低節(jié)點在運行過程中的功耗。實驗結(jié)果表明，節(jié)點具有良好的低功耗特性。

［1］孫亭，楊永田，李立宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電子技術(shù)應用，2006（6）

［2］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)［M］.北京航空航天大學出版社，2007

［3］Gang Ding，Sahinoglu Z，Bhargava B，et al.Reliable broadcast in Zig Bee net wor ks［R］.2005 Second Annual IEEE Co mmunications Society Conference on Sensor and Ad Hoc Co mmunications and Net wor ks，2005