中心議題：

• 基於ZigBee技術的無線傳感器網絡節點的設計與測試

解決方案：

• 節點硬件設計
• 節點軟件設計
• 低功耗測試

基於無線傳感器網絡的特點，本文以CC2430芯片為核心設計一種用於溫濕度測量的無線傳感節點，為了降低節點功耗，在ZigBee協議棧的基礎上進行改進，為傳感節點設計了空閑、觸發和主動等3種zhong工gong作zuo模mo式shi，使shi節jie點dian能neng夠gou按an照zhao實shi際ji需xu求qiu控kong製zhi采cai樣yang的de時shi機ji和he速su率lv，以yi減jian少shao傳chuan感gan節jie點dian用yong於yu無wu線xian通tong信xin的de能neng量liang開kai銷xiao

，從cong而er滿man足zu無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo對dui節jie點dian低di功gong耗hao的de設she計ji要yao求qiu，同tong時shi根gen據ju已yi知zhi參can數shu預yu測ce傳chuan感gan節jie點dian壽shou命ming，並bing通tong過guo實shi驗yan進jin行xing了le驗yan證zheng。

0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監測區域內大量廉價微型傳感器節點組成
，以無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡係統，其目的是協作地感知、caijihechuliwangluofugaiquyuneiganzhiduixiangdexinxi
，bingfasonggeiguanchazhe。wuxianchuanganqiwangluoyouzhuyurenmengenghaodiganzhikeguanshijie
，jidakuozhanxianyouwangluodegongnengherenleirenshishijiedenengli
，juyouguangkuodeyingyongqianjing。

無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo中zhong的de節jie點dian一yi般ban采cai用yong電dian池chi供gong電dian，可ke以yi使shi用yong的de電dian量liang非fei常chang有you限xian，而er對dui於yu有you成cheng千qian上shang萬wan節jie點dian的de無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo來lai說shuo

，對dui電dian池chi的de更geng換huan是shi非fei常chang困kun難nan
，甚shen至zhi是shi不bu可ke能neng的de。但dan是shi無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo的de生sheng存cun時shi聞wen卻que要yao求qiu長chang達da數shu月yue甚shen至zhi數shu年nian。因yin此ci，如ru何he在zai不bu影ying響xiang功gong能neng的de前qian提ti下xia，盡jin可ke能neng節jie約yue無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo的de電dian池chi能neng量liang成cheng為wei無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo軟ruan硬ying件jian設she計ji中zhong的de核he心xin問wen題ti，也ye是shi當dang前qian國guo內nei外wai研yan究jiu機ji構gou關guan注zhu的de焦jiao點dian。

傳感器節點由處理器模塊
、通信模塊、傳感器模塊和能量供應模塊4部分組成。其中，前3個(ge)模(mo)塊(kuai)消(xiao)耗(hao)能(neng)量(liang)，由(you)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)塊(kuai)消(xiao)耗(hao)能(neng)量(liang)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)，目(mu)前(qian)研(yan)究(jiu)的(de)重(zhong)點(dian)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)在(zai)處(chu)理(li)器(qi)模(mo)塊(kuai)和(he)通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)上(shang)。處(chu)理(li)器(qi)模(mo)塊(kuai)節(jie)能(neng)策(ce)略(lve)通(tong)常(chang)有(you)動(dong)態(tai)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和動態功率管理(Dynamic Power Management
，DPM)。前者的工作原理是當計算負載較低時
，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力
，可以節約微處理器的能耗；後(hou)者(zhe)是(shi)利(li)用(yong)當(dang)節(jie)點(dian)周(zhou)圍(wei)沒(mei)有(you)感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)事(shi)件(jian)發(fa)生(sheng)時(shi)，部(bu)分(fen)模(mo)塊(kuai)處(chu)於(yu)空(kong)閑(xian)狀(zhuang)態(tai)，把(ba)這(zhe)些(xie)組(zu)件(jian)關(guan)掉(diao)或(huo)調(tiao)到(dao)更(geng)低(di)能(neng)耗(hao)的(de)狀(zhuang)態(tai)，以(yi)延(yan)長(chang)節(jie)點(dian)壽(shou)命(ming)。通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)消(xiao)耗(hao)能(neng)量(liang)是(shi)最(zui)多(duo)的(de)，故(gu)為(wei)其(qi)製(zhi)定(ding)有(you)效(xiao)的(de)節(jie)能(neng)策(ce)略(lve)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)，主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)控(kong)製(zhi)節(jie)點(dian)通(tong)信(xin)流(liu)量(liang)，合(he)理(li)安(an)排(pai)工(gong)作(zuo)休(xiu)眠(mian)時(shi)間(jian)以(yi)及(ji)采(cai)用(yong)多(duo)跳(tiao)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)等(deng)。

本文通過對硬件的選擇配置和軟件的靈活設計，采用3種zhong備bei選xuan工gong作zuo模mo式shi
，使shi節jie點dian能neng根gen據ju實shi際ji情qing況kuang進jin行xing參can數shu設she置zhi，減jian少shao節jie點dian用yong於yu無wu線xian通tong信xin的de能neng量liang開kai銷xiao，實shi現xian無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo節jie點dian的de低di功gong耗hao目mu標biao，同tong時shi完wan成cheng相xiang關guan測ce試shi對dui該gai設she計ji方fang案an進jin行xing驗yan證zheng。

1 節點硬件設計

ZigBee技術是一種近距離
、低功耗、低數據速率、低複雜度的雙向無線通信技術，適用於無線傳感器網絡。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。經綜合比較，該設計選用CC2430芯片，該芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協議的SoC解決方案
，它在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控製器
，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點對低功耗的要求。

在此采用深圳金圖旭昂有限公司的TSZ-CC2430開發係統，移植美國密西西比大學的精簡ZigBee協議棧，以CC2430芯片為核心設計一種用於環境監測的溫濕度傳感節點，通過軟硬件設計方法實現傳感節點的低功耗目標。
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硬件連接如圖1所示，射頻芯片CC2430集成了處理器模塊和無線通信模塊，大大簡化了射頻電路的設計。

圖1 無線傳感器節點硬件連接示意圖

溫濕度傳感器SHT10的工作電壓為2．4～5．5 V，測濕精度為±4．5％RH，25℃時測溫精度為±0．5℃。SHT10采用兩條串行線與處理器進行數據通信，串行時鍾線SCK負責兩者通信同步

，數據線DATA用於數據的讀取。DATA在SCK下降沿之後改變狀態
，並僅在SCK時鍾上升沿有效。數據傳輸期間，在SCK時鍾高電平時
，DATA必須保持穩定。為避免信號衝突
，微處理器應驅動DATA在低電平，故DATA線采用10 kΩ的上拉電阻。

對於供電模塊，最初設計時考慮節點體積因素
，擬采用鈕扣電池。但在後來測試中發現，容量為210 mAh的CR2032型鈕扣鋰電在節點啟動瞬間
，電池電壓立即由3．0V下降到2．4V，難以驅動傳感節點正常工作。分析原因是CC2430射頻工作時流耗超出電池的帶負載能力，故采用2節普通7號電池提供3．3V電源。

2 節點軟件設計

節點程序主流程如圖2所示
，主要包括數據采集和無線通信兩個部分。出於傳感節點低功耗的考慮，軟件設計重點放在工作模式的處理上。

節點能耗絕大部分消耗在無線通信部分，傳感節點使用無線方式傳輸1 b到100 m遠所消耗的能量可供執行3 000條指令。可見
，如何有效傳輸數據
，合理安排工作休眠時間對於節約傳感節點能耗有著直接影響，這也是軟件設計應重點考慮的問題。

為(wei)了(le)實(shi)現(xian)傳(chuan)感(gan)節(jie)點(dian)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)以(yi)及(ji)更(geng)優(you)的(de)測(ce)量(liang)性(xing)能(neng)
，設(she)計(ji)時(shi)采(cai)用(yong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)的(de)選(xuan)擇(ze)


，通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)配(pei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)節(jie)點(dian)的(de)工(gong)作(zuo)參(can)數(shu)，使(shi)節(jie)點(dian)能(neng)夠(gou)按(an)照(zhao)實(shi)際(ji)需(xu)要(yao)控(kong)製(zhi)采(cai)集(ji)的(de)時(shi)機(ji)和(he)速(su)率(lv)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)能(neng)耗(hao)，以(yi)延(yan)長(chang)節(jie)點(dian)壽(shou)命(ming)。節(jie)點(dian)工(gong)作(zuo)分(fen)空(kong)閑(xian)模(mo)式(shi)、觸發模式、主動模式3種。其中，空閑模式下的節點大部分時間處於休眠狀態，隻是周期性的喚醒檢查有無來自服務器的控製命令

，以更好地節約能耗
；觸發模式下RF關閉，隻有當傳感器測量值達到設定門限後才觸發RF進行無線數據收發，同時可以根據不同的門限選擇相應的采樣率，適用於如森林火災等突發情況的監測和預警
；主(zhu)動(dong)模(mo)式(shi)下(xia)傳(chuan)感(gan)節(jie)點(dian)按(an)配(pei)置(zhi)的(de)采(cai)樣(yang)率(lv)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)發(fa)送(song)，周(zhou)期(qi)性(xing)轉(zhuan)入(ru)休(xiu)眠(mian)並(bing)自(zi)動(dong)喚(huan)醒(xing)。模(mo)式(shi)選(xuan)擇(ze)及(ji)相(xiang)應(ying)參(can)數(shu)配(pei)置(zhi)均(jun)來(lai)自(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)服(fu)務(wu)器(qi)。對(dui)傳(chuan)感(gan)節(jie)點(dian)而(er)言(yan)

，該(gai)項(xiang)工(gong)作(zuo)是(shi)在(zai)無(wu)線(xian)接(jie)收(shou)過(guo)程(cheng)中(zhong)完(wan)成(cheng)的(de)。
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3 低功耗測試

鑒於功耗測試特點，傳感節點工作模式設置為主動模式

，即節點周期性地進行采集、發送、休眠，獲取不同階段的工作參數
，依據一定方法進行壽命預測和驗證。

通過測試獲取節點工作參數如表2所示，工作電壓為3．3 V。kezhi，jiediangongzuoshiliuhaoda
，zaixiumianzhuangtaizexiaodeduo。yinci

，weibaozhengzaigongdiandianliangyouxiandeqingkuangxiahuodegengchangdegongzuoshouming，youbiyaojiangjiedianshezhiweijianxieshigongzuomoshi，jigongzuoxiumianzhouqixingjiaotijinxing。xiashiweijiedianshoumingyucegongshi：

式中：Td為節點可工作天數
；Qb為可用電池容量；tw為每周期內工作時長；ts為每周期內休眠時長
；Iw為工作電流；Is為休眠電流。根據預潮公式及假定電池可用容量為1 000 mAh
，可以預測在不同休眠時長下的工作天數如表3所示。對特定的傳感節點
，其單周期內數據采集、處理、發送所占用的工作時長是一定的
，可變的就是休眠時長
，通過控製傳感節點不同的休眠時長來獲取其相應的工作壽命特性。由表3可知，隨著休眠時長的增加，節點工作壽命隨之延長，當休眠時長為60s，即1 min進行1次數據采集發送時
，傳感器節點能夠連續使用約1年時間。

在實際測試過程中

，采用孚安特鋰電ER14250H和普通7號南孚堿性電池進行比對實驗，前者電池容量為1 200 mAh
，後者無容量標識，但根據其官方網站測試說明，估計亦在1 200 mAh左右。考慮長時間測試中電池自放電效應，其實際可用容量必定要小些
，仍采用1 000 mAh假定值的預測結果進行比較。實驗得到節點實際可工作天數如表3所(suo)示(shi)，測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)與(yu)預(yu)測(ce)趨(qu)勢(shi)大(da)體(ti)上(shang)是(shi)一(yi)致(zhi)的(de)，傳(chuan)感(gan)節(jie)點(dian)可(ke)工(gong)作(zuo)天(tian)數(shu)與(yu)其(qi)在(zai)一(yi)個(ge)工(gong)作(zuo)周(zhou)期(qi)內(nei)的(de)休(xiu)眠(mian)時(shi)長(chang)相(xiang)關(guan)。所(suo)以(yi)
，為(wei)延(yan)長(chang)傳(chuan)感(gan)節(jie)點(dian)壽(shou)命(ming)，有(you)必(bi)要(yao)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)確(que)定(ding)節(jie)點(dian)的(de)工(gong)作(zuo)休(xiu)眠(mian)時(shi)間(jian)，在(zai)保(bao)證(zheng)網(wang)絡(luo)穩(wen)定(ding)性(xing)、數據可靠性的前提下盡量安排更多的休眠時間。另外，在組網測試中，傳感節點單跳距離約60 m，自組織特性良好，傳感節點可以選擇較優路由入網，服務器對終端傳感節點的數據獲取、監測、控製功能均正常。該設計實現的溫濕度傳感節點如圖3所示，電路由CC2430射頻板和傳感器底板組成，兩者通過12 pin×2接口連接，方便安裝使用。

4 結語

本文介紹了一種基於ZigBeejishudewuxianchuanganqiwangluojiediandeshejiyushixian
，bingjinxingleceshi。shiyanjieguobiaoming，chuanganjiedianjubeidigonghaotexing，nenggoutongguowuxianshishilinghuodecelianghekongzhi，manzuwuxianchuanganqiwangluoyaoqiu。tongshi，jiedianshejifangfayouyidingcanzhaojiazhi
，bianyuyizhihegaijin，keyongyuqitacanliangdeceliangyukongzhi。chengran，jiangdigonghaokeyiyanchangwuxianchuanganqiwangluojiediandeshiyongshouming，ruguonenggouliyongzhuruguangzhao
、風力
、震動等外界能量
，從而使傳感節點有效地自我補給，這對於野外部署的無線傳感器網絡將有著積極意義。