一種低功耗的無線瓦斯傳感器節(jié)點設計

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(NDIR)原理進行設計，其光源采用非傳統(tǒng)的節(jié)能LED光源。該光源系統(tǒng)采用了先進的算法產(chǎn)生優(yōu)化的輻射光譜，光線通過布滿甲烷的光學系統(tǒng)后到達含有硒化鉛和硒化鎘的光敏二極管上，從而對甲烷濃度進行監(jiān)測。傳感器內(nèi)置溫度傳感器，并且內(nèi)部集成信號處理和溫度補償系統(tǒng)，自行輸出數(shù)字信號。數(shù)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(shù)字信號遵循UART格式。
本文所選用的無線收發(fā)芯片是CC2430，電源采用電池組供電。隨著電池能量的消耗，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(wěn)壓器件，給傳感器元件和無線收發(fā)電路提供穩(wěn)定的工作電壓。主要考慮如下：
①節(jié)點擬采用3～4節(jié)5號電池供電，即對于穩(wěn)壓器件來說，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無線收發(fā)芯片的工作電壓范嗣為2～3．6 V，這里將兩者電壓統(tǒng)一選擇為3．3 V，這就要求穩(wěn)壓器輸出電壓為3．3 V；
③無線收發(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(wěn)壓器件能提供不低于28 mA的輸出電流；
④所選擇的穩(wěn)壓器件靜態(tài)時的工作電流一定要盡可能小，以便節(jié)省能量。
考慮到同時滿足以上4點要求，本文選擇了深圳明和科技公司生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)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。可見MH5333穩(wěn)壓器件能較好地滿足上述要求。
由3～4節(jié)5號電池串聯(lián)作為穩(wěn)壓器MH5333的輸入，其輸出(3．3 V)為無線收發(fā)電路和傳感器元件提供電源。無線收發(fā)電路與傳感器元件之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸。CC2430的引腳P0．0和P0．1分別連接了一個LED燈，方便后面調(diào)試程序及觀察程序的執(zhí)行情況。為了降低能耗，這里采用CC2430的一個引腳控制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(nèi)，輸出功率在0．02～0．25 W。CC2430的P1．0和P1．1兩個引腳可以提供20 mA的驅(qū)動電流，可見CC2430的P1．0和P1．1兩個引腳的輸出功率能夠滿足這一要求。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(jié)點軟件設計
紅外甲烷氣體傳感器MIPEX輸出的數(shù)字信號遵循UART格式，要求波特率為9 600，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗位。MIPEX傳感器的控制指令遵循ASCII碼，并且每一個控制命令末尾都要以回車結尾。每個MIPEX傳感器都有自己的地址，其范圍為00～FF。出廠時默認地址為00，用戶可以自己改寫。由于每個無線瓦斯傳感器節(jié)點只帶有一個MIPEX傳感器，不需要修改其地址。
MIPEX傳感器的數(shù)據(jù)查詢命令為DATA。當CC2430需要查詢MIPEX傳感器中的濃度信息時，首先要向MIPEX傳感器發(fā)送一組命令：44 41 54 41 0D。其中前4個字節(jié)分別是“D A T A”所對應的ASCII碼值，最后的“0D”為回車符的ASCII碼。MIPEX傳感器接收到查詢命令后，其返回值為Concl。該返回值是以一個5位的ASCII碼來表示濃度信息的，結尾仍然是一個回車符(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的熱身時間。在這期間，傳感器輸出的不是濃度信息，一般為FFFF。60 s過后，傳感器才輸出正確的測量值。因此在設計讀寫傳感器的程序時，等傳感器上電1 min后，再向其發(fā)送數(shù)據(jù)查詢及讀取命令，否則讀取的數(shù)據(jù)沒有意義。
無線收發(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)議棧的低功耗實現(xiàn)分為兩個部分：一個是沒有任務需要執(zhí)行時，自動進入低功耗模式；另一個是CC2430周期性采集瓦斯?jié)舛刃畔r的低功耗設計。ZigBee協(xié)議棧在進行任務輪詢時，如果沒有需要執(zhí)行的任務，其會自動進入低功耗模式。具體實現(xiàn)是在協(xié)議棧主循環(huán)程序osal_start_system中調(diào)用osal_pwrmgr_powerconserve()低功耗函數(shù)。該函數(shù)把獲取OS層timer下一次到時的時間作為參數(shù)，調(diào)用hal_sleep()進入PM2睡眠模式。如果當前沒有任務，那么將進入PM3。在后續(xù)程序中，每次都設置一個傳感器讀取事件，即如果自動進入睡眠模式，則一定是進入PM2模式。睡眠前設置Timer2(睡眠定時器)，醒來的時間剛好等于下次任務到來的時間，當完成任務后再次進入睡眠。
根據(jù)傳感器的操作要求，設置無線瓦斯傳感器按照以下的流程進行工作。節(jié)點處于工作／休眠交替狀態(tài)，一個工作周期約為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，CC2430進入低功耗運行模式。8分30秒過后，CC2430被喚醒，P1．0引腳輸出高電平，即給MIPEX傳感器供電。此時CC2430進入PM1低功耗模式。由于MIPEX傳感器的熱身時間為1min，這里設置70s后，CC2430被喚醒，開始讀取MIPEX中的瓦斯?jié)舛刃畔?，然后將其無線發(fā)送出去。待發(fā)送完畢后，設置下一次瓦斯?jié)舛茸x取事件，周期為20 s，這20 s內(nèi)，CC2430自動進入低功耗模式。20 s之后，觸發(fā)該事件，并送給應用層處理，開始了上述循環(huán)過程。程序設計的具體流程如圖1所示。

無線瓦斯傳感器節(jié)點的工作流程主要是在zb_HandieOsalEvent(events)編程實現(xiàn)的，具體程序為：