一種低功耗的無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器節點(diǎn)設計

俄羅斯OPTOSENSE公司生產(chǎn)的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX采用非色散紅外技術(shù)(NDIR)原理進(jìn)行設計，其光源采用非傳統的節能LED光源。該光源系統采用了先進(jìn)的算法產(chǎn)生優(yōu)化的輻射光譜，光線(xiàn)通過(guò)布滿(mǎn)甲烷的光學(xué)系統后到達含有硒化鉛和硒化鎘的光敏二極管上，從而對甲烷濃度進(jìn)行監測。傳感器內置溫度傳感器，并且內部集成信號處理和溫度補償系統，自行輸出數字信號。數字信號可以有效地避免外部環(huán)境對其輸出信號的影響。傳感器輸出的數字信號遵循UART格式。
本文所選用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片是CC2430，電源采用電池組供電。隨著(zhù)電池能量的消耗，電池組輸出的電壓變化較大，很容易超出傳感元件所要求的工作電壓范圍，因此需要選擇合適的穩壓器件，給傳感器元件和無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路提供穩定的工作電壓。主要考慮如下：
①節點(diǎn)擬采用3～4節5號電池供電，即對于穩壓器件來(lái)說(shuō)，其輸入電壓范圍為4．5～6 V；
②MIPEX傳感器工作電壓范圍為3～4．5 V，而CC2430無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的工作電壓范嗣為2～3．6 V，這里將兩者電壓統一選擇為3．3 V，這就要求穩壓器輸出電壓為3．3 V；
③無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊最大工作電流為27mA，MIPEX傳感器平均工作電流為1 mA，所以要求所選擇的穩壓器件能提供不低于28 mA的輸出電流；
④所選擇的穩壓器件靜態(tài)時(shí)的工作電流一定要盡可能小，以便節省能量。
考慮到同時(shí)滿(mǎn)足以上4點(diǎn)要求，本文選擇了深圳明和科技公司生產(chǎn)的低壓差線(xiàn)性穩壓器MH5333。
它的輸入電壓最高可達10V，輸出電壓為3．3V；最大輸出電流達500mA，靜態(tài)電流為1μA?？梢?jiàn)MH5333穩壓器件能較好地滿(mǎn)足上述要求。
由3～4節5號電池串聯(lián)作為穩壓器MH5333的輸入，其輸出(3．3 V)為無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路和傳感器元件提供電源。無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路與傳感器元件之間通過(guò)串口進(jìn)行數據傳輸。CC2430的引腳P0．0和P0．1分別連接了一個(gè)LED燈，方便后面調試程序及觀(guān)察程序的執行情況。為了降低能耗，這里采用CC2430的一個(gè)引腳控制MIPEX傳感器的電源。MIPEX傳感器對其電源的要求是電源電壓在3～4．5 V范圍內，輸出功率在0．02～0．25 W。CC2430的P1．0和P1．1兩個(gè)引腳可以提供20 mA的驅動(dòng)電流，可見(jiàn)CC2430的P1．0和P1．1兩個(gè)引腳的輸出功率能夠滿(mǎn)足這一要求。這里選
擇CC2430的P1．0引腳控制MIPEX傳感器的電源。甲烷傳感器MIPEX的TXD和RXD引腳分別連接CC2430的P0．2和P0．3引腳，即連接到CC2430的異步串行接口0的RXD和TXD端。

2 節點(diǎn)軟件設計
紅外甲烷氣體傳感器MIPEX輸出的數字信號遵循UART格式，要求波特率為9 600，8個(gè)數據位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗位。MIPEX傳感器的控制指令遵循ASCII碼，并且每一個(gè)控制命令末尾都要以回車(chē)結尾。每個(gè)MIPEX傳感器都有自己的地址，其范圍為00～FF。出廠(chǎng)時(shí)默認地址為00，用戶(hù)可以自己改寫(xiě)。由于每個(gè)無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器節點(diǎn)只帶有一個(gè)MIPEX傳感器，不需要修改其地址。
MIPEX傳感器的數據查詢(xún)命令為DATA。當CC2430需要查詢(xún)MIPEX傳感器中的濃度信息時(shí)，首先要向MIPEX傳感器發(fā)送一組命令：44 41 54 41 0D。其中前4個(gè)字節分別是“D A T A”所對應的ASCII碼值，最后的“0D”為回車(chē)符的ASCII碼。MIPEX傳感器接收到查詢(xún)命令后，其返回值為Concl。該返回值是以一個(gè)5位的ASCII碼來(lái)表示濃度信息的，結尾仍然是一個(gè)回車(chē)符(0Dh)。例如，甲烷氣體濃度為1．86％，傳感器的返回值為00186。48 48 49 56 54分別為0 0 1 8 6的ASCII碼，如下所示。

傳感器上電后，需要60 s的熱身時(shí)間。在這期間，傳感器輸出的不是濃度信息，一般為FFFF。60 s過(guò)后，傳感器才輸出正確的測量值。因此在設計讀寫(xiě)傳感器的程序時(shí)，等傳感器上電1 min后，再向其發(fā)送數據查詢(xún)及讀取命令，否則讀取的數據沒(méi)有意義。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC2430有4種工作模式：PM0、PM1、PM2和PM3。其中PM3模式最省電，但只能被外部中斷喚醒；PM2模式比較省功耗而且可以被定時(shí)喚醒。這里的低功耗設置是讓CC2430工作于PM2模式。ZigBee協(xié)議棧的低功耗實(shí)現分為兩個(gè)部分：一個(gè)是沒(méi)有任務(wù)需要執行時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式；另一個(gè)是CC2430周期性采集瓦斯濃度信息時(shí)的低功耗設計。ZigBee協(xié)議棧在進(jìn)行任務(wù)輪詢(xún)時(shí)，如果沒(méi)有需要執行的任務(wù)，其會(huì )自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。具體實(shí)現是在協(xié)議棧主循環(huán)程序osal_start_system中調用osal_pwrmgr_powerconserve()低功耗函數。該函數把獲取OS層timer下一次到時(shí)的時(shí)間作為參數，調用hal_sleep()進(jìn)入PM2睡眠模式。如果當前沒(méi)有任務(wù)，那么將進(jìn)入PM3。在后續程序中，每次都設置一個(gè)傳感器讀取事件，即如果自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，則一定是進(jìn)入PM2模式。睡眠前設置Timer2(睡眠定時(shí)器)，醒來(lái)的時(shí)間剛好等于下次任務(wù)到來(lái)的時(shí)間，當完成任務(wù)后再次進(jìn)入睡眠。
根據傳感器的操作要求，設置無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器按照以下的流程進(jìn)行工作。節點(diǎn)處于工作／休眠交替狀態(tài)，一個(gè)工作周期約為10 min。在前8分30秒中CC2430的P1．0引腳輸出低電平，控制MIPEX傳感器不工作。緊接著(zhù)，CC2430進(jìn)入低功耗運行模式。8分30秒過(guò)后，CC2430被喚醒，P1．0引腳輸出高電平，即給MIPEX傳感器供電。此時(shí)CC2430進(jìn)入PM1低功耗模式。由于MIPEX傳感器的熱身時(shí)間為1min，這里設置70s后，CC2430被喚醒，開(kāi)始讀取MIPEX中的瓦斯濃度信息，然后將其無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去。待發(fā)送完畢后，設置下一次瓦斯濃度讀取事件，周期為20 s，這20 s內，CC2430自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。20 s之后，觸發(fā)該事件，并送給應用層處理，開(kāi)始了上述循環(huán)過(guò)程。程序設計的具體流程如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器節點(diǎn)的工作流程主要是在zb_HandieOsalEvent(events)編程實(shí)現的，具體程序為：