一种低功耗无线传感节点设计

黄可嘉 林创鲁 刘洋 吴熠铭

（广东省科学院自动化工程研制中心）

1 引言

测控网络能够协作地、实时地监测分布区域内的各种监测对象信息，并对信息进行处理后传送到监测中心，其具有环境适应性强、可靠性好、效率高和易于扩展等优点，被广泛地应用于国防军事、环境监测、物流管理、过程监控等领域[1]。在对远程小区域特别是野外监测区域的现场数据采集时，经常会遇到采集节点不便甚至无法采用有线连接方式通信和供电的情况。传感器技术、嵌入式技术、特别是无线通信技术的发展，为解决上述问题提供了解决手段。现有远程无线传感节点存在功耗较高、测量准确度易受供电电压影响等不足。对此，笔者提出基于时间同步的低功耗通信机制，探索采用比率测量技术、传感电路节能测量技术、无线SOC技术等技术实现相同测量准确度的低功耗无线传感节点软硬件方法的可行性。

图1 无线传感器网络系统结构框图

2 无线数据采集系统结构

图1为一个无线传感网络系统结构框图，它主要由若干个传感节点、若干个sink节点、移动通信网络（GSM/GPRS）、监测中心组成。各监测区域传感器网络采用星型网络拓扑结构。传感节点采集现场传感信息并通过短距RF无线信号将处理结果发送到sink节点；sink节点负责管理节点和处理传感节点发送过来的数据并通过GSM/GPRS移动通信网络将数据发往监测中心服务器；用户通过访问监测中心服务器获知监测区域的信息，实现远程监测。传感器节点往往只能采用微型电池供电，对功耗非常敏感。因此，设计一种功耗低、寿命长、成本低的无线传感器节点是构建无线传感器网络系统中的重要一环。下文将重点就无线传感节点如何实现低功耗的问题展开讨论。

3 无线传感节点硬件设计

无线传感器节点主要由传感获取单元(由传感器、信号调理电路和A/D转换模块组成)、数据处理单元(由处理器、存储器、实时时钟等组成)、射频传输单元(由FIFO缓存、数据帧解包打包和射频收发模块组成)以及电源部分，如图 2所示。采用低能耗器件及节能采样电路是降低节点的整体功耗的有效方法[2]。下文中，笔者将就影响节点功耗关键器件进行选型和电路设计。

图2 无线传感器节点硬件原理框图

3.1 SOC无线单片机

无线通信模块是无线传感节点的重要组成部分，其功耗大小直接影响节点的整体功耗。MCU与 RF集成的片上系统(System on Chip,SOC)的推出，不仅满足了用户的需求，降低了成本和和功耗，也大大缩短开发时间。因此，该无线传感节点采用Nordic公司集MCU和RF于一体的nRF24E1型无线单片机[3]。它工作在全球开放的2.4GHz ISM频段，最大传输速率可达1Mb/s；包括有9个通道的10位A /D转换器、1路SPI总线、1路PWM和1路UART等；工作电压1.9V～3.6V；射频模块在发射模式下的电流消耗为10.5mA，接收模式下为18mA，在待机节能模式最小电流消耗只有2uA。

3.2 低功耗温度监测电路

由图2可知，在满足测量准确度的前提下，如何降低传感获取单元的功耗是降低传感节点整体功耗的重要一环。由于传统采用电压激励的电阻型温度传感器的出处容易受到ADC参考电压、激励电压的影响，特别是随着电池电压的跌落，其影响更加明显。而采用高精度参考电压源势必大大增加成本。为了克服上述不足此，笔者拟采用电流激励比率测量技术和电路节能测量技术对电阻型温度传感器进行准确测量的同时降低功耗，其电路原理图如图3所示。

图3 低功耗温度采集电路原理图

分析电路图可知，ADC的测量电压为：

其中，Kg为ADC前端放大器放大倍数，IREF为激励电流，RREF为参考电阻，RT为温度传感器的两端电阻。可见，温度传感器和参考电阻的端电压均随激励电流的变化而成比率变化，激励电流不影响温度测量精度，其测量精度取决于参考电阻RREF[4]；传感节点的测量准确度不受供电电路的电压跌落影响。当采用400uA直流电流激励，选择2.5kΩ的参考电阻以给ADC提供1V的参考电压。

当无线单片机处于休眠状态时，往往将ADC及外围传感采集电路关闭以求达到功耗的最低化。如图4所示，无线单片机在休眠前通过将IO口DIO4信号PON下拉至低电平控制T1将ADC及外围传感采集电路断电；唤醒后通过将PON信号置为高电平开启ADC及外围传感采集电路进行数据采集。ADC及外围传感采集电路上电时间取决于采集时间长度TS，断电时间等于休眠时间TPD，其通断频率随节点的传感数据采集频率而节能测量以实现低功耗。

4 低功耗机制和软件设计

无线通信占了整个无线传感节点能耗的主要部分。因此，对无线收发子系统的能耗管理非常重要[5]。采取减少通信流量、增加休眠时间、使用多跳短距离无线通信方式等方法可减少通信模块能耗。笔者拟通过时间同步低功耗通信机制的方法来降低节点功耗。

4.1 时间同步低功耗机制

无线通信模块存在发送、接收、空闲和休眠4种状态。无线通信模块在发送状态和接受状态的都要消耗大量电能，而在休眠态的能量消耗最少。如何让通信更有效率，减少不必要的接受和接收时间，增长节点处于休眠状态的时间是传感器通信协议设计需要重点考虑的问题[5]。为此，我们采用一种基于时间同步的低功耗通信机制，使传感节点和sink节点之间约定在特定的时间段内进行数据传输而其余时间休眠。该通信机制的流程图如图4所示。sink节点通过呼叫帧同步传感节点时间、设置休眠周期和启动数据采集等操作；传感节点将采样结果回送sink节点后进入接收模式等待sink节点的数据接受及校验成功确认帧；传感节点收到确认帧后进入休眠模式；传感节点在预设的时间到达后，开门狗唤醒CPU进入接收态等待sink节点的呼叫帧；sink节点也经历同样时间后唤醒开始新一轮的数据采集与传输。该机制的实质为通过时间同步实现 sink节点和传感节点在几乎相同的时刻唤醒并进行数据通信来降低通信时间、提高通信效率并延长休眠时间。

图4 时间同步通信流程图

4.2 软件设计

由于各个监测区域中的传感节点对功耗敏感，系统传感节点在工作状态和休眠状态之间轮换工作，其工作时间和休眠周期由sink节点控制并实现同步，主要负责数据采集及上传任务；sink节点是各个监测区域的控制中心和数据汇聚中心，负责处理传感节点发送过来的数据，检测及管理传感节点，并通过GPRS网络与远程监测中心通信。节点的程序流程图如图5所示。

图5 传感节点程序流程图

5 实验结果

传感器采用PT100箔电阻温度传感器，其灵敏度为0.385Ω/℃，测量范围为-50℃～450℃，为获得1℃测量精度，采用容差为0.1%的参考电阻RREF。传感节点采集3次温度值平均计算得到传感器电阻值，经查表、线性插值求解实时温度值并将结果传送到sink节点完成一次数据采集任务。测试表明，传感节点休眠消耗电流为2.45uA，要好于类似研究成果[6]；传感节点在不同电池电压下，不同状态的功耗和温度测量结果如表1所示。传感节点处的温度真值由Fluke8846A搭配箔电阻温度传感器测得为16.32℃（标称测量不确定度为0.06℃）。在3.0V供电下，单次数据采集所需采样时间20ms，发射时间5ms，接收时间40ms，则在采样周期为10s时节点的平均电流约为93uA；在电池电压跌落18.2%的条件下，温度测量准确度没受影响。

表1 传感节点在不同电压下不同状态下功耗及测量结果

6 结语

为实现远程无线传感节点的低功耗，笔者提出了一种基于时间同步的低功耗通信机制，采用比率测量、传感电路节能测量、无线 SOC等技术设计了基于 nRF24E1为核心的无线数据采集系统节点软件和硬件。温度测量实验表明，无线传感节点在采集周期为10s的条件下，节点平均电流为 93uA；电压跌落

18.2%的条件下，温度测量准确度没有受到影响。既实现无线传感节点的超低功耗，延长节点工作时间，也保证了测量准确度，具有广阔的应用前景。

[1]康军,戴冠中,何鹏举,郭达伟.智能分布式测控网络体系结构设计[J].测控技术,2006,25(4):55～57, 60

[2]Akyildiz I., SuW, C. Wireless Sensor Networks: A Survey [J].Computer Networks, 2002, 38 (3) :393～ 422

[3]Nordic VLSI ASA.NORDIC nRF24E1 Product Specification(Revision: 1.5). http://www.nvlsi.no,2008-04-01

[4]Walter G. Jung.OP AMP Applications [M]. United States of America, 2002:78～81.

[5]张大踪,杨涛,魏东梅. 无线传感器网络低功耗设计综述[J].传感器与微系统,2006,25(5):10～14

[6]杨琦,陈辉煌,石江宏.低功耗无线传感器网络终端节点设计[J]. 厦门大学学报(自然科学版),2008,47(3):357～360