基于ZigBee的低功耗無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以CC2430芯片為核心設(shè)計(jì)一種用于溫濕度測(cè)量的無線傳感節(jié)點(diǎn)，為了降低節(jié)點(diǎn)功耗，在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，為傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了空閑、觸發(fā)和主動(dòng)等3種工作模式，使節(jié)點(diǎn)能夠按照實(shí)際需求控制采樣的時(shí)機(jī)和速率，以減少傳感節(jié)點(diǎn)用于無線通信的能量開銷，從而滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)根據(jù)已知參數(shù)預(yù)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)壽命，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感節(jié)點(diǎn)；低功耗；工作壽命

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有助于人們更好地感知客觀世界，極大擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而對(duì)于有成千上萬節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，對(duì)電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)聞卻要求長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問題，也是當(dāng)前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。
傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)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(duì)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(jié)能策略通常有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(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(dāng)計(jì)算負(fù)載較低時(shí)，通過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(jié)約微處理器的能耗；后者是利用當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(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(diào)到更低能耗的狀態(tài)，以延長(zhǎng)節(jié)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(jié)能策略尤為重要，主要包括控制節(jié)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。
本文通過對(duì)硬件的選擇配置和軟件的靈活設(shè)計(jì)，采用3種備選工作模式，使節(jié)點(diǎn)能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，減少節(jié)點(diǎn)用于無線通信的能量開銷，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗目標(biāo)，同時(shí)完成相關(guān)測(cè)試對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，適用于無線傳感器網(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(shè)計(jì)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(nèi)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線傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)低功耗的要求。

在此采用深圳金圖旭昂有限公司的TSZ-CC2430開發(fā)系統(tǒng)，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(shè)計(jì)一種用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，通過軟硬件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗目標(biāo)。