周四清 吳雙雙 劉云超

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

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基于ZigBee的無線溫濕度采集節(jié)點的低功耗設(shè)計*

周四清 吳雙雙 劉云超

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

設(shè)計了一種以電池供電的無線溫濕度采集節(jié)點，為降低節(jié)點功耗，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了低功耗設(shè)計，從器件選型、電路設(shè)計、工作模式等方面進(jìn)行了低功耗處理，使?jié)M足無線傳感網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點低功耗的要求，并通過試驗進(jìn)行了驗證。

低功耗；ZigBee；溫濕度

0 引言

傳統(tǒng)的溫度傳感器、溫度記錄儀、溫濕度變送器等廣泛用于環(huán)境、工業(yè)生產(chǎn)的溫濕度測量。在人員難以到達(dá)、環(huán)境惡劣等場合，傳統(tǒng)測量方式存在布線困難，長引線造成測量誤差大、測量時間長等特點。采用傳統(tǒng)的溫度傳感器、記錄儀、變送器組成的溫濕度測量系統(tǒng)在使用中存在很大的局限性。

傳統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)如wifi、藍(lán)牙分別存在功耗高、傳輸距離短等缺點，難以應(yīng)用到電池供電的溫濕度測量場合。ZigBee技術(shù)是一種低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低復(fù)雜度，適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的雙向無線通信技術(shù)。隨著針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)的快速發(fā)展及其在測量系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，無線傳輸節(jié)點單次充電持續(xù)工作時間應(yīng)不少于10天，且體積重量小，便于安裝和更換。本文對應(yīng)用ZigBee技術(shù)的無線溫濕度采集節(jié)點低功耗設(shè)計進(jìn)行了研究，硬件與軟件設(shè)計采取了相應(yīng)的措施，實現(xiàn)了無線采集節(jié)點的低功耗目標(biāo)，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫濕度采集節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，由微控制器、無線收發(fā)模塊、AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊、RS232通信接口、數(shù)據(jù)存儲器等組成。

圖1 無線溫濕度采集節(jié)點原理框圖

節(jié)點系統(tǒng)考慮了現(xiàn)場測量需求，傳感器接口包括了環(huán)境測量用數(shù)字溫濕度傳感器、中溫測量用熱電阻傳感器、高溫測量用熱電偶傳感器的接口。AD轉(zhuǎn)換模塊將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入微處理器進(jìn)行換算擬合后通過無線收發(fā)器發(fā)送給主機。

2 節(jié)點低功耗設(shè)計

無線溫濕度采集節(jié)點低功耗設(shè)計策略主要分為硬件低功耗設(shè)計和軟件低功耗設(shè)計兩個方面。硬件低功耗設(shè)計主要通過選用低功耗器件和簡化電路減少器件來完成。軟件低功耗設(shè)計以靈活控制器件的休眠和喚醒狀態(tài)，優(yōu)化程序流程來進(jìn)行。

2.1 硬件低功耗設(shè)計

硬件低功耗設(shè)計關(guān)鍵是芯片選型。節(jié)點元器件選型要充分考慮測量性能、寬電壓性能和低功耗要求。

ZigBee無線收發(fā)模塊選用TI公司的CC2530芯片，具有寬電源電壓范圍2～3.6V，休眠功耗僅為0.4μA。主控制芯片選用TI公司的低功耗16位微控制器MSP430F2122，工作電源電壓范圍1.8～3.6V，休眠模式功耗0.7μA。AD轉(zhuǎn)換芯片采用ADI公司的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793，工作電壓2.7～5.25V，省電模式最大電流1μA。濕度傳感器選擇瑞士Sensirion公司的SHT15，工作電壓2.4～5.5V，溫度誤差±0.3℃，濕度測量誤差±2%RH，測量狀態(tài)功耗3mW，休眠狀態(tài)最大5μW。

節(jié)點測量部分的硬件電路圖如圖2所示，微控制器MSP430F2122與AD7793采用四線制SPI的通信方式，微控制器MSP430F2122與數(shù)字溫濕度傳感器采用I2C連接。RT為四線制鉑電阻溫度傳感器Pt100，R1為低溫漂參考電阻(5×10-6/℃)，C2、C3為去耦電容。IOUT1輸出1mA電流經(jīng)過RT、R1，電阻R1兩端電壓作為AD芯片的采樣基準(zhǔn)電壓以消除IOUT1輸出電流產(chǎn)生的誤差。

圖2 測量電路硬件原理圖

電池管理電路如圖3所示。無線采集節(jié)點采用充電電池供電，充電電池可選用鋰電池或者鋰聚合物電池。電源管理單元由充電芯片、電量管理和穩(wěn)壓芯片組成。選用Linear公司鋰電池充電芯片LTC4507，采用Linear公司的鋰電池電量管理芯片LTC2941-1，穩(wěn)壓芯片采用奧地利AMS公司的AS1360-3.3芯片。

圖3 電池管理電路

外接電源VDD輸入UB1后給電池充電，UB2通過內(nèi)部串聯(lián)在SENSE+、SENSE-之間的小電阻實現(xiàn)充放電過程的電池電量計量，UB3將外部電源或者電池穩(wěn)壓至3.3V給系統(tǒng)數(shù)字部分供電，UB4將外部電源或者電池穩(wěn)壓至3.3V給系統(tǒng)模擬部分供電。微處理器通過I2C查詢UB2中記錄的電池電量數(shù)據(jù)，通過SHDN控制外部充電通斷。

2.2 節(jié)點系統(tǒng)軟件低功耗設(shè)計

節(jié)點監(jiān)測模式的采集傳輸程序流程如圖4所示，主要包括數(shù)據(jù)采集和無線通信兩個部分。電池供電系統(tǒng)對功耗要求高，軟件的低功耗設(shè)計的重點在于工作模式和芯片的低功耗處理。

3 節(jié)點低功耗測試

節(jié)點功耗主要由各芯片及傳感器組成，其典型功耗見表1，根據(jù)各電子元器件計算出的理論工作電流和休眠電流見表2。

圖4 節(jié)點軟件流程圖

表1 器件典型功耗

采用直流穩(wěn)壓電源給無線采集節(jié)點供電，利用數(shù)字多用表34401A結(jié)合上位機實時測量記錄1小時的喚醒模式和休眠模式下的平均電流，測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，休眠狀態(tài)下，節(jié)點功耗遠(yuǎn)低于喚醒狀態(tài)。

表2 節(jié)點工作電流理論值與實際值

為驗證電池供電的續(xù)航能力，節(jié)點設(shè)置循環(huán)喚醒狀態(tài)時間為2s，在不同的休眠時間間隔進(jìn)行測試。喚醒時，開啟無線收發(fā)功能以及溫濕度采集。供電電池采用容量1000mAh鋰聚合物電池，考慮電池自放電效應(yīng)等因素，電池實際使用容量比實際要小，按800mAh的實際使用容量進(jìn)行核算。實際測試工作時間見表3。

表3 節(jié)點功耗測試結(jié)果

由表3可以看出，實際測試工作時間與預(yù)計工作時間大體一致。從試驗結(jié)果可以看出，增加休眠時間可以有效延長無線溫濕度采集節(jié)點的電池使用時間。在實際使用中可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)情況和性能需求，調(diào)整無線收發(fā)開啟時間或模式、采集間隔、休眠時間等來延長節(jié)點電池使用時間。在休眠間隔設(shè)定為60s的情況下，采用兩節(jié)1000mA電池并聯(lián)時，可持續(xù)工作超過30天。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的采用ZigBee進(jìn)行傳輸?shù)牡凸臒o線溫濕度采集節(jié)點實物見圖5，該節(jié)點采用單節(jié)點3.7V聚合物電池供電。節(jié)點可根據(jù)測量需求外接工業(yè)鉑電阻或者熱電偶進(jìn)行溫度測量，也可用板載溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度測量。

圖5 無線溫濕度采集節(jié)點硬件實物圖

無線溫濕度采集節(jié)點應(yīng)用于卷煙廠生產(chǎn)車間和實驗室環(huán)境溫濕度穩(wěn)定性和均勻性的檢測?，F(xiàn)場應(yīng)用和試驗結(jié)果表明，傳感節(jié)點達(dá)到了低功耗設(shè)計理論工作要求，功能能夠滿足無線測量和控制。

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湖南省科技計劃項目(2013SK3291)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.06