CC1110在低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的應用研究

引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的日趨廣泛，越來(lái)越多的應用領(lǐng)域要求節點(diǎn)模塊不僅擁有更小的體積，而且能夠持續工作更長(cháng)的時(shí)間，低功耗的設計已成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用研究的一個(gè)重要方面。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低功耗設計可從三個(gè)方面進(jìn)行：一是硬件設計低功耗，即通過(guò)低功耗芯片選型、低功耗電路設計技巧運用等多種手段降低系統功耗;二是工作模式低功耗，這是低功耗設計中最主要的手段，也是最有效的，它通過(guò)轉換節點(diǎn)模塊“休眠-喚醒”的工作狀態(tài)實(shí)現功耗控制，可以采用節點(diǎn)時(shí)間同步、主機模式控制等方法達到降低功耗的目的;三是軟件設計低功耗，即在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從軟件著(zhù)手，通過(guò)優(yōu)化程序設計、切換芯片功耗模式、采用中斷驅動(dòng)模式等手段降低系統功耗，從原理上講工作模式低功耗設計也是軟件設計低功耗的一種。

針對某傳感器網(wǎng)絡(luò )應用中，由于小范圍內包含大量聚集的傳感器節點(diǎn)，且數據采集時(shí)間隨機，傳統Mesh型(網(wǎng)狀)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和基于時(shí)間同步算法的星型傳感器網(wǎng)絡(luò )難以實(shí)現，而采用基于星型拓撲結構和主機輪詢(xún)的網(wǎng)絡(luò )工作模式，能夠有效滿(mǎn)足系統需求，并可以實(shí)現低功耗的系統設計。具體開(kāi)發(fā)中，采用無(wú)線(xiàn)微控制器CC1110作為主控芯片，綜合硬件設計低功耗、工作模式低功耗和軟件設計低功耗實(shí)現了系統的低功耗設計。

1 系統組成及硬件電路設計

圖1為基于CC1110的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統結構框圖，以節點(diǎn)控制器為核心，與無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊組成星型拓撲結構的網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)模塊以CC1110為控制核心，一方面控制傳感器進(jìn)行數據采集，另一方面完成與節點(diǎn)控制器的無(wú)線(xiàn)通信，接受節點(diǎn)控制器的控制。節點(diǎn)電源模塊包含充電電路、可充電電池、多級電源芯片等，是電路低功耗設計的硬件基礎。

節點(diǎn)模塊采用電池獨立供電模式，可以利用無(wú)線(xiàn)充電或者太陽(yáng)能充電，大大擴展了這種傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用范圍和場(chǎng)合，并且設計中采用了緊縮的電路結構設計、小容量可充電電池以及微小封裝外圍芯片，所以整個(gè)節點(diǎn)模塊體積非常小。圖2為CC11l0傳感器節點(diǎn)模塊的電路原理圖。采用CC1110為控制核心的優(yōu)勢在于：CC1110是一款低成本SoC，內部集成了一個(gè)增強型低功耗8051處理器內核和一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC1100，無(wú)線(xiàn)通信可工作在315/433/915 MHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué))和SRD(短距離設備)頻率波段;芯片配合少量的外圍器件，即可成為一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信、控制核心。

圖3為電池供電模塊電路原理圖，采用RICHTECH公司的低壓差穩壓芯片RT9161A-42CX，可輸出4.2V電壓和最大500mA電流，在驅動(dòng)電流為100 mA時(shí)，典型壓降為200 mV，能夠提升無(wú)線(xiàn)充電和太陽(yáng)能充電時(shí)的能量利用率。內置可充電電池容量為150 mA，能夠滿(mǎn)足系統能量需求，也可以有效減小模塊的體積。

圖4為CC1110電池電壓檢測電路及供電模塊電路原理圖。電池在滿(mǎn)電狀態(tài)下能夠輸出4.2 V的電壓，這超出了CC1110正常工作時(shí)的最高電壓3.9 V，所以需要在電池輸出端添加一級的降壓或者穩壓的過(guò)程?？梢圆捎脙煞N方式：一是利用穩壓二極管，這種方式簡(jiǎn)單有效，但是會(huì )造成功率的大量浪費，特別是穩壓二極管前端一般需要一個(gè)限流電阻，在芯片休眠狀態(tài)下，此電阻也會(huì )持續耗電，直至電池電壓降到穩壓二極管的擊穿電壓(比如3.9 V)這樣電池從4.2 V到3.9 V的電量將被浪費;二是利用集成穩壓芯片，應當選用有較高轉化效率和較小自身功耗的芯片，這里選擇RICHTECH公司的RT9013A-30PB，不僅具有極低的噪聲適合RF應用，而且靜態(tài)功耗只有25μA，可以大大減小系統的靜態(tài)功耗。CC 1110電池電壓檢測及供電模塊如圖4所示。圖4中的電阻分壓電路是用來(lái)檢測電池電量，接入CC1110的P0_7端口，利用內部的模數轉換功能實(shí)現電池電量的監測，因為采用了芯片內的1.25 V基準電壓作為參考，所以外部需要準確分壓來(lái)計算電池電量，分壓電阻也可以采用非精密電阻，這需要實(shí)際測量阻值并在電壓計算中調整換算系數。

RT9013A-30PB還具有使能端口，能實(shí)現供電的開(kāi)關(guān)控制，特別是作為傳感器電源，在傳感器沒(méi)有低功耗模式時(shí)，可由控制器直接關(guān)斷，實(shí)現極低的功耗。圖5為RT9013A-30PB應用于外部傳感器控制的電路原理圖，需要注意的是，該款芯片最大能提供500 mA的電流。

通過(guò)硬件設計，包括電池充電電路、CC1110芯片供電電路、電壓檢測電路、傳感器供電電路等，構建了系統低功耗的硬件基礎。但實(shí)際工作時(shí)，CC1110在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)啟情況下工作電流一般能達到16 mA以上，所以進(jìn)一步降低系統的平均功耗需要設計系統的低功耗工作模式。

2 基于“喚醒-偵聽(tīng)”的低功耗工作模式

CC1110具有4種低功耗模式，如表1所列。分別為PM0～PM3：在PM0模式下，CPU處于掛起狀態(tài)，其他外設可處于工作狀態(tài);在PM1模式下，高速時(shí)鐘源全部關(guān)閉，CPU和外設都不工作，數字寄存器中的內容不丟失，可以響應外部中斷，系統處在低時(shí)鐘狀態(tài)工作，這時(shí)睡眠定時(shí)器工作，I/O保持配置狀態(tài);PM2模式為次低功耗模式，外部中斷有效，低速振蕩器工作，睡眠定時(shí)器工作，I/O保持配置，RAM中的內容和大部分功能寄存器內容保持，其他內部電路關(guān)閉，這種模式下可用睡眠定時(shí)器喚醒系統;PM3模式為系統最低功耗模式，內部數字穩壓模塊關(guān)閉，內部電路全部斷電，只有復位、外部中斷有效，I/O保持配置和輸出狀態(tài)，這時(shí)只能通過(guò)復位或者外部中斷喚醒系統。

低功耗的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)采用的是PM2工作模式，因為PM3模式必須通過(guò)外部干預才能夠喚醒，不符合設計要求。PM2模式的低功耗算法采用基于“喚醒-偵聽(tīng)”的工作方式，CC1110開(kāi)始即進(jìn)入PM2睡眠工作模式，待睡眠定時(shí)器完成計數后，喚醒系統進(jìn)入全速工作狀態(tài)，開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)接收功能，偵聽(tīng)頻道信息。如果接收到主機喚醒工作指令，那么恢復到正常工作狀態(tài)，如果在設定的偵聽(tīng)時(shí)間內沒(méi)有接收到主機指令或者非本機指令，則重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并設定睡眠定時(shí)器進(jìn)入下一次的“喚醒-偵聽(tīng)”循環(huán)。圖6為“喚醒-偵聽(tīng)”無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)低功耗的工作流程，其中無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)在完成主機命令后，可在休眠指令下再次進(jìn)入休眠模式。

針對上面思路設計的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，在節點(diǎn)控制器喚醒程序設計時(shí)需要注意幾點(diǎn)：一是因為節點(diǎn)的自主喚醒時(shí)間是隨機的，所以節點(diǎn)控制器要在節點(diǎn)睡眠和喚醒時(shí)間內連續發(fā)送喚醒命令，這樣如果節點(diǎn)設置較長(cháng)的睡眠時(shí)間，那么可以有效降低系統的平均功耗，但是會(huì )增加節點(diǎn)控制器發(fā)送喚醒命令的時(shí)間，所以需要在功耗和性能之間權衡;二是當一個(gè)區域存在多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)時(shí)，可以設置多條控制命令，例如單個(gè)節點(diǎn)，或全部節點(diǎn)喚醒，或者全部節點(diǎn)睡眠。

3 測試計算

圖7為節點(diǎn)模塊的功耗測試電路實(shí)物圖，包含了CC1110模塊、無(wú)線(xiàn)充電模塊、充電供電模塊以及兩路傳感器供電模塊。傳感器的供電測試采用外接負載電阻的方式模擬。

系統應用中，設置節點(diǎn)的睡眠時(shí)間為2 s，節點(diǎn)喚醒時(shí)間為10 ms，節點(diǎn)活動(dòng)時(shí)的平均電流為20 mA(開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)收發(fā)，系統全速工作，不考慮傳感器功耗)，睡眠狀態(tài)下測試節點(diǎn)的電流為0.2 mA(包含3路RT9013A-30PB以及整個(gè)CC1110模塊)?？梢杂嬎愠鱿到y工作的平均電流為0.3 mA，則電池充滿(mǎn)后，可以在待機情況下使用500小時(shí)。

結語(yǔ)

系統綜合硬件電路設計和程序流程控制，提出了一種基于CC1110的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低功耗節點(diǎn)設計方法，可以為一定范圍內多無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的星狀網(wǎng)絡(luò )模式提供設計參考。此外，對穩壓芯片選擇以及功耗計算進(jìn)行了分析探討。最終設計得到的節點(diǎn)不僅具有較長(cháng)的工作時(shí)間，而且體積小、成本低，適合應用于多種場(chǎng)合。