基于A(yíng)RM7的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能量管理初探

1 引言

微小的、資源非常有限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是無(wú)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本功能單元，擔負著(zhù)信息采集、數據處理、信息傳輸等重任。

　　隨著(zhù)MEMS技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和計算機技術(shù)的進(jìn)步，逐漸使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )成為現實(shí)。研究人員利用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)出了小型化板級無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，而這在30年前還僅是一種構想；單片無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)也已經(jīng)問(wèn)世，但距離實(shí)用仍有相當一段路要走。為了研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)技術(shù)和 能量管理技術(shù)我們采用基于ARM7核的SOC單片機LPC2138開(kāi)發(fā)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(如圖1)。

2 節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最大的挑戰。為了節能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 要求節點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)功能，在節點(diǎn)空閑時(shí)應進(jìn)入低功耗狀態(tài)以節省能量。實(shí)現DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域有 著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢，己有超過(guò)85％的無(wú)線(xiàn)通信設備采用了ARM技術(shù)。我們選擇了菲利浦公司生產(chǎn)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(tài)，可通過(guò)外部中斷將其喚醒；振蕩模式下支持1～30 MHz外部晶體，通過(guò)鎖相環(huán)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(guò)外設功率控制寄存器開(kāi)啟、關(guān)閉外，其工作頻率亦可通過(guò)分頻器調整為處理器時(shí)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(diǎn)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(guò)R1和R3調整)低于1.25 V時(shí)，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(tài)(SOC)的多少，卻可讓傳感器節點(diǎn)了解其電池的荷電狀態(tài)下降到了某種程 度，節點(diǎn)不再適合擔任較繁重的工作了。由此改變節點(diǎn)的工作狀態(tài)、降低節點(diǎn)的功耗，達到延長(cháng)節點(diǎn)使用時(shí)間的目的。

　數據收發(fā)單元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee標準的射頻收發(fā)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(guò)三級管放大MCU的GPIO驅動(dòng)能力，實(shí)現對它們供電的動(dòng)態(tài)管理。