基于ZigBee的低功耗無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)設計與實(shí)現

摘要：以CC2430芯片為核心設計一種用于溫濕度測量的無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)，為了降低節點(diǎn)功耗，在ZigBee協(xié)議棧的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，為傳感節點(diǎn)設計了空閑、觸發(fā)和主動(dòng)等3種工作模式，使節點(diǎn)能夠按照實(shí)際需求控制采樣的時(shí)機和速率，以減少傳感節點(diǎn)用于無(wú)線(xiàn)通信的能量開(kāi)銷(xiāo)，從而滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對節點(diǎn)低功耗的設計要求，同時(shí)根據已知參數預測傳感節點(diǎn)壽命，并通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行了驗證。
關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感節點(diǎn)；低功耗；工作壽命

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監測區域內大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，以無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有助于人們更好地感知客觀(guān)世界，極大擴展現有網(wǎng)絡(luò )的功能和人類(lèi)認識世界的能力，具有廣闊的應用前景。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)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(wàn)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，對電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)聞卻要求長(cháng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的電池能量成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軟硬件設計中的核心問(wèn)題，也是當前國內外研究機構關(guān)注的焦點(diǎn)。
傳感器節點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(dòng)態(tài)電壓調節(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和動(dòng)態(tài)功率管理(Dynamic Power Management，DPM)。前者的工作原理是當計算負載較低時(shí)，通過(guò)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(diǎn)周?chē)鷽](méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調到更低能耗的狀態(tài)，以延長(cháng)節點(diǎn)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(diǎn)通信流量，合理安排工作休眠時(shí)間以及采用多跳通信方式等。
本文通過(guò)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(diǎn)能根據實(shí)際情況進(jìn)行參數設置，減少節點(diǎn)用于無(wú)線(xiàn)通信的能量開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的低功耗目標，同時(shí)完成相關(guān)測試對該設計方案進(jìn)行驗證。

1 節點(diǎn)硬件設計
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數據速率、低復雜度的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。經(jīng)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(xié)議的SoC解決方案，它在單個(gè)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(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)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(kāi)發(fā)系統，移植美國密西西比大學(xué)的精簡(jiǎn)ZigBee協(xié)議棧，以CC2430芯片為核心設計一種用于環(huán)境監測的溫濕度傳感節點(diǎn)，通過(guò)軟硬件設計方法實(shí)現傳感節點(diǎn)的低功耗目標。