《工业控制计算机》２０１１年第２４卷第２期 ７ 一种低功耗无线传感器解决方案 Ａ Ｌｏｗ——ｐｏｗｅｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ 刘海英 （南京铁道职业技术学院铁道动力与电气工程学院，江苏南京２１０００５） 冯文秀 （北京安氏领信科技有限公司，北京１０００１５） 摘 要 低功耗研究是无线传感网络研究的一个热点，可从硬件设计和软件实现两个层面进行研究。分别从硬件和软件角度分 析了现有无线传感器的低功耗研究情况，并结合实际情况提出了一种低功耗无线传感器解决方案，经实验室局域网测试证 明．该设计是可行的。 关键词：低功耗，无线传感网络，硬件，软件解决方案，可行 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ，ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａ。 ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｌｅｖｅｌｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅ＿ ｓｅａｒｃｈ，ａｎｄ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ＬＡＮ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔ ｈａｒｄｗａｒｅ．ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｏ￣ｔｉｏｎ，ｆｅａｓｉｂｌｅ 为实现一种低功耗的无线传感器网络（ＷＳＮ），可以从ＷＳＮ 的体系结构、传感器节点以及网络各层次通信协议等角度去设 计实现。本文从传感器节点角度论述并实现了无线传感器的低 功耗设计。 １ 低功耗设计的思想 指令和读取压力指令。传感器接收到采集指令后开始进行数据 采集，然后接收到读取温度、压力命令后把采集数据通过ＳＰＩ口 传输到微控制器。 ２．１＿２微控制器的选择 微控制器可以从多个角度考虑。 １）选用低功耗的微控制器。在目前嵌入式系统中ＴＴＬ电平 ＷＳＮ属于一种资源受限网络，网络节点的能量、计算能力 和存储量都非常有限，尤其是能量的受限，一旦节点的电源耗尽 会直接影响整个网络功能的实现，而网络节点的使用往往是一 次性的或者由于条件传感节点的电池不可能经常更换，需 要能使用若干年。同时在无线传感器网络中，节点通常是嵌入在 其它系统中，要求节点体积小，因此电池大小受到，容量也 中５Ｖ居多，随着人们对低功耗产品的需求，许多３ ３Ｖ、３Ｖ、２Ｖ 甚至１ ８Ｖ的低电压嵌入式产品得到很大的发展。 ２）选用内核简单的微控制器。系统设计时，要根据功能需求 而选择合适的微控制器，而不是一味地选择高端的微控制器。 ３）选择多种低功耗模式的微控制器。根据系统功能复杂度和 受到制约，对低功耗的要求更高。因此传感器网络的设计必须以 提高系统的能量效率为首要目标。如何解决无线传感器中的功 耗问题是国内外人们研究的热点和难点之一。 目前，无线传感器的低功耗设计主要是从硬件和软件共同 来实现的。硬件设计中，首先选用低功耗的微控制器，低功耗的 完成工作的频率来选择合适的功耗模式。当系统需要工作时，通 过事件把ＣＰＵ从睡眠状态唤醒，任务结束后再回到睡眠状态。 ４）微控制器的外围元器件选择低功耗产品。 基于以上考虑，该设计选用ＴＩ公司ＭＳＰ４３０系列 ＭＳＰ４３０Ｆ１３５微控制器，该控制器具有强大的处理能力、运算速 度快、中断源种类丰富、低功耗以及丰富的片上外围系统。 射频芯片和低功耗的传感器，其次对外围电路也要采用低功耗 设计。软件上设计上，考虑引入低功耗设计思想的嵌人式操作系 统和无线传感器网络的ＭＡＣ协议。ＣＰＵ依靠事件驱动，使用中 ＭＳＰ４３０Ｆ１３５微控制器在降低芯片电源电压和灵活控制时 钟方而有独到之处，因此具有超低功耗，主要表现在以下几个方 断唤醒模式，通常没有任务操作的时候ＣＰＵ处于睡眠状态。 ２低功耗无线传感器的设计方案 面：①采用１．８～３．６Ｖ电源电压供电。在１ＭＨｚ的时钟条件下运行 时，上作电流大约２００～４００１￣Ａ左右，时钟关断模式下最低功耗只 ２ １硬件部分的低功耗设计实现 有Ｏ １ＩｚＡ。②具有独特的时钟系统设计。在ＭＳＰ４３０Ｆ１３５中有两 个不同的时钟系统：基本时钟系统和ＤＣ０数字振荡器时钟系统。 两种时钟系统相互配合产生ＣＰＵ和其它外围模块所需要的时钟 信号，并且时钟可以通过指令打开和关闭，从而实现对总体功耗 的控制。由于系统运行时使用的功耗模式不同，芯片的功耗也显 著不同。ＭＳＰ４３０Ｆ１３５有一种活动模式和五种低功耗模式 （ＬＰＭ０～ＬＰＭ４），存不同工作模式下耗电情况如图１所示。 传感器节点硬件的低功耗可以从以下几个角度考虑： ２．１ １传感器的选择 传感器是传感器节点的检测元件部分，考虑要实现温度和 压力测量，方案采用温度、压力一体的复合传感器模块，这样有 效地减小了传感器的体积。该传感器是一种先进的复合式传感 器，一个传感器就完成温度和电压的双重测量，采用２ｌ７～３．６Ｖ 色源供电，输出数字量信号，使用标准４线制ＳＰＩ（ＣＳ，ＳＣＬＫ， ，２．１．３射频单元的选择 Ｉ，ＳＯ）接口通信，温度测量范围为一４０～１２５ｏＣ，压力测量范围 待机状态、复位指令、测量温度指令、测量压力指令、读取温度 射频单元是传感器网络的关键部分，用来完成数字信号调 制和解调，是实现数据通信的物质基础。在传感器节点中，射频 单元是消耗能量最大的部分，为了保证在电池能繁有限的情况 ，１００～１３５０ｋＰａ，同时具有温度、压力自动补偿能力。传感器支 ８ ＩＣＣ／ｕＡ 一种低功耗无线传感器解决方案 从低功耗的角度考虑传感 ＿３ ２．２Ｖ ３１５ ３００ 器节点采用前后台思想设计。系 统采用事件驱动的设计思想，多 数时间内系统处于低功耗模式， ＣＰＵ处于关闭状态，通过中断事 ， ： 始化 ＋ －：帅 ｌ鲫 １３５ ９０ ４５ ０ ■■■州 件来唤醒ＣＰＵ进入数据处理阶。 Ｉ段，数据处理完毕后ＣＰＵ继续～ ：：Ｊ 进入低功耗状态。由定时器定时 定嵩嚣 断、＞］ ｊ ¨ｌ 足 香 舄● 图１ 不同工作模式下ＭＳＰ４３０Ｆ１３５耗电情况 中断事件和ＣＣ２５００接收到一 定叫器 Ｊ｝ 数 采集 个完整的数据帧引发的接收中 断事件中唤醒ＣＰＵ，退出低功耗 模式。程序的主体是一个无限循 环，循环内部对数据采集、求均 值、发送出去，然后进入睡眠状 态。当定时器的定时间到达后， 【 求 ＿－ 数ｉ￣１ 唢１一 ｉ、 进 下使传感器网络具有更为持久的网络生命，射频单元应选用低 ＂＿ 功耗、多种功耗模式的芯片。该方案选用ＣＣ２５００射频芯片作为 通信单元。这是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＳｍａｒｔＲＦ ０４系列低成本、低功 ¨ ｍ 耗、高性能单芯片射频收发器，工作频率为无需申请、许可使用 的２．４ＧＨｚ ＩＳＭ频段。工作电压低，采用１ ８～３．６Ｖ电源供电；电 流消耗低，ＯｄＢｍ输出时，接收电流ＲＸ：１４．３ｍＡ，发射电流ＴＸ： ： ” 牦・ 一 ２１．８ｍＡ；通信速率可达５００Ｋｂｐｓ；输出功率可调，具有极强的抗 干扰能力；具有完整的信息包处理功能，包括产生前置码，同步 字插入／侦测，地址检测，灵活的信息包长度和自动ＣＲＣ校验： 具有片上载波感应指示灯和数字ＲＳＳＩ输出，有助于提高无线链 通过中断服务子程序唤醒ＣＰＵ， 一 继续重复上述工作，系统的工作图２传感器节点程序流程图 流程如图２所示。 ３结束语 无线传感器节点作为一种嵌入式设备，很长时间都处于空 闲状态，如果根据系统的工作状态自动实现功耗管理，使系统作 与其工作状态相符的功耗模式，那么就很大程度上降低系统功 路的质量；信道空闲评估功能（ＣＣＡ）使其适用于载波侦听（Ｌｉｓ— ｔｅｎ—Ｂｅｆｏｒｅ—Ｔａｌｋ，ＬＢＴ）系统。 ２ｌ２软件部分的低功耗设计实现 耗，从而延长系统寿命，这在能耗要求较高的无线传感网络中有 着重要的意义。本文所提出的设计方案系经实验室局域网测试 证明是可行的，具有良好的可靠性和稳定性。 参考文献 ［１］赵晨晨，杨震无线传感器网络路由协议分析［Ｊ］．广东通信技术， ２００５（７）：３１—３３ 传感器节点的低功耗设计，不仅在硬件设计上要考虑低功 耗，还要充分考虑软件的低功耗设汁。合理的软件设计可以大大 降低系统的功耗，目前降低软件功耗常常采用以下几种方法： １）ＣＰＵ多数情况下处于睡眠状态，通过外部事件或中断唤 醒，执行完毕继续回到睡眠模式。 ２）尽量减少ＣＰＵ的运算量，不可避免的实时计算，精度满 足要求即可，避免“过度”的汁算。同时尽量使用短的数据类型。 ［２］邵清亮，孙延鹏．无线传感器网络的低功耗研究［Ｊ］．沈阳航空工业学 院学报，２００６，２３（４）：６４—６６ ３）不用的ｌ／０模块或间歇使用的Ｉ／Ｏ模块要及时关掉，以节 省电能。 传感器网络节点实现的功能较简单，设定定时时间，每１分 钟让传感器采集１０组数据温度、压力数据，为了提高精度去掉 一［３］李文钟，段朝玉．ＺｉｇＢｅｅ无线网络入门与实战［Ｍ］．北京：北京航空航 天大学出版社，２００７ ［４］沈建华，杨艳琴ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机原理与应用［Ｊ］ 北京：清华大学出版社，２００４ 『收稿日期：２０１０ １２．１３］ 组最大值和一组最小值，然对剩余数据求平均值，封装成数据 帧，通过射频单元传输到汇聚节点。 Ｐ Ｐ∞Ｐ Ｐ 沪｝ ９ （上接第６页） 电子器件，２００３（２） 的求解结果如表４所示。 表４ ＰＳＯ算法的规划结果 渊股步 １ ［３］Ｄａｎｉｅ Ｗ Ｅｎｇｅｌｓ，Ｓａｎｊａｙ Ｅ Ｓａｒｍａ Ｔｈｅ ｒｅａｄｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｒｏｂ— ｌｅｍ［Ｚ］．ＣｅｎｔｅｒＷｈｉｔｅ Ｂｏｏｋ，２００２ ［４］Ｗａｌｄｒｏｐ Ｊ，Ｅｎｇｅｌｓ Ｄ．Ｗ，Ｓａｒｍａ Ｓ Ｅ Ｃｏｌｏｒｗａｖｅ：Ａｎ ａｎｔｉｃｏｌ一¨－ 总处理时’ｕＪＡ １７ 谈 Ｊ １ ｉ＇／￣ 别 ９ １４．１６ Ｉ什时问／ ｌ７ ｓｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｄｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｉｎ ＩＥＥＥＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＷＣ－ＮＣ），２００３ ｒ５］ＫＲ０ＨＬＩＮＧ Ｒ Ａ．Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｗａｒｍ：ａ ｎｏｖｅｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒ，，￣ｑ ｏｐ— ２ ３ ４ ５ ６ ７ Ｉ，２ ７ ４ １Ｏ ＩＩ Ｉ２ ５ ６ ８ ｌ３ ８ Ｉ２ Ｉ３ ８ ９ Ｉ（） ２．ｆ ３７ ５０ ５ｇ ６７ ７７ ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ【Ｃ］．Ｉ ＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ．２００４：３７２—３７６ ［６］ＢＵＲＫＡＲＤ Ｒ Ｅ，ＤＥＩＮＥＫＯ Ｖ Ｇ，ＤＡＬ Ｒ Ｖ，ｅｔ ａ１．Ｗｅｌｌ—ｓｏｌｖ— ａｂｌｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｃａｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｓａｌｅｓｍａｎ ｐｒｏｂｌｅｍ：ａ ｓｕｒ— ｖｅｙ［Ｊ】ＳＩＡＭ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９８，４０（３）：４９６—５４６ ［７］李丽，牛奔粒子群优化算法［Ｍ］北京：冶金工业出版社，２００９：１２３— １３８ ８ ３ ３ ８０ 参考文献 ［１］林倩．ＲＦＩＤ射频识别技术浅议［Ｊ］科技经济市场，２００８（８） ［２］吴春华，动态ＡＬＯＨＡ法在解决ＲＦＩＤ反碰撞问题中的应用［Ｊ］ ［８］Ｖｅｅｒａｍａｃｈａｎｅｎｉ，Ｌ Ａ Ｏｓａｄｃｉｗ Ｏｐｉｔｉｍａｌ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｉｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｓｉｎｇ Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ＣｌＳＳ ２００４，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ ． 『收稿日期：２０１０．１１ ９］
