CC1110在低功耗无线传感器网络中的应用研究

高俊尧，李俊勇，余剑，杜燕波

（1.66393部队，保定071000；2.电子工程学院）

引 言

随着无线传感器网络应用的日趋广泛，越来越多的应用领域要求节点模块不仅拥有更小的体积，而且能够持续工作更长的时间，低功耗的设计已成为无线传感器网络应用研究的一个重要方面[1]。

无线传感器网络低功耗设计可从三个方面进行：一是硬件设计低功耗，即通过低功耗芯片选型[2]、低功耗电路设计技巧运用[3]等多种手段降低系统功耗；二是工作模式低功耗，这是低功耗设计中最主要的手段，也是最有效的，它通过转换节点模块“休眠—唤醒”的工作状态实现功耗控制，可以采用节点时间同步[4]、主机模式控制[5]等方法达到降低功耗的目的；三是软件设计低功耗，即在无线传感器网络开发过程中，从软件着手，通过优化程序设计、切换芯片功耗模式、采用中断驱动模式等手段降低系统功耗[6]，从原理上讲工作模式低功耗设计也是软件设计低功耗的一种。

针对某传感器网络应用中，由于小范围内包含大量聚集的传感器节点，且数据采集时间随机，传统Mesh型（网状）网络拓扑结构[7]和基于时间同步算法的星型传感器网络[4]难以实现，而采用基于星型拓扑结构和主机轮询的网络工作模式，能够有效满足系统需求，并可以实现低功耗的系统设计。具体开发中，采用无线微控制器CC1110作为主控芯片，综合硬件设计低功耗、工作模式低功耗和软件设计低功耗实现了系统的低功耗设计。

1 系统组成及硬件电路设计

图1为基于CC1110的无线传感器网络系统结构框图，以节点控制器为核心，与无线节点模块组成星型拓扑结构的网络。节点模块以CC1110为控制核心，一方面控制传感器进行数据采集，另一方面完成与节点控制器的无线通信，接受节点控制器的控制。节点电源模块包含充电电路、可充电电池、多级电源芯片等，是电路低功耗设计的硬件基础。

节点模块采用电池独立供电模式，可以利用无线充电或者太阳能充电，大大扩展了这种传感器网络的应用范围和场合，并且设计中采用了紧缩的电路结构设计、小容量可充电电池以及微小封装外围芯片，所以整个节点模块体积非常小。图2为CC1110传感器节点模块的电路原理图。采用CC1110为控制核心的优势在于：CC1110是一款低成本SoC，内部集成了一个增强型低功耗8051处理器内核和一个无线收发芯片CC1100，无线通信可工作在315/433/915 MHz的ISM（工业、科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段[8]；芯片配合少量的外围器件，即可成为一个无线传感器网络的通信、控制核心。

图2 CC1110传感器节点模块电路原理图

图3为电池供电模块电路原理图，采用RICHTECH公司的低压差稳压芯片 RT9161A-42CX[9]，可输出4.2 V电压和最大500 m A电流，在驱动电流为100 m A时，典型压降为200 m V，能够提升无线充电和太阳能充电时的能量利用率。内置可充电电池容量为150 m A，能够满足系统能量需求，也可以有效减小模块的体积。

图3 电池供电模块电路原理图

图4为CC1110电池电压检测电路及供电模块电路原理图。电池在满电状态下能够输出4.2 V的电压，这超出了CC1110正常工作时的最高电压3.9 V，所以需要在电池输出端添加一级的降压或者稳压的过程。可以采用两种方式：一是利用稳压二极管，这种方式简单有效，但是会造成功率的大量浪费，特别是稳压二极管前端一般需要一个限流电阻，在芯片休眠状态下，此电阻也会持续耗电，直至电池电压降到稳压二极管的击穿电压（比如3.9 V）这样电池从4.2 V到3.9 V的电量将被浪费；二是利用集成稳压芯片，应当选用有较高转化效率和较小自身功耗的芯片，这里选择 RICHTECH 公司的 RT9013A-30PB[10]，不仅具有极低的噪声适合RF应用，而且静态功耗只有25 μA，可以大大减小系统的静态功耗。CC1110电池电压检测及供电模块如图4所示。图4中的电阻分压电路是用来检测电池电量，接入CC1110的P0＿7端口，利用内部的模数转换功能实现电池电量的监测，因为采用了芯片内的1.25 V基准电压作为参考，所以外部需要准确分压来计算电池电量，分压电阻也可以采用非精密电阻，这需要实际测量阻值并在电压计算中调整换算系数。

RT9013A-30PB还具有使能端口，能实现供电的开关控制，特别是作为传感器电源，在传感器没有低功耗模式时，可由控制器直接关断，实现极低的功耗。图5为RT9013A-30PB应用于外部传感器控制的电路原理图，需要注意的是，该款芯片最大能提供500 m A的电流。

通过硬件设计，包括电池充电电路、CC1110芯片供电电路、电压检测电路、传感器供电电路等，构建了系统低功耗的硬件基础。但实际工作时，CC1110在无线网络开启情况下工作电流一般能达到16 m A以上，所以进一步降低系统的平均功耗需要设计系统的低功耗工作模式。

图4 CC1110电池电压检测及供电模块

图5 传感器供电模块电路原理图

2 基于“唤醒—侦听”的低功耗工作模式

CC1110具有4种低功耗模式，如表1所列。分别为PM0～PM3：在PM0模式下，CPU处于挂起状态，其他外设可处于工作状态；在PM1模式下，高速时钟源全部关闭，CPU和外设都不工作，数字寄存器中的内容不丢失，可以响应外部中断，系统处在低时钟状态工作，这时睡眠定时器工作，I/O保持配置状态；PM2模式为次低功耗模式，外部中断有效，低速振荡器工作，睡眠定时器工作，I/O保持配置，RAM中的内容和大部分功能寄存器内容保持，其他内部电路关闭，这种模式下可用睡眠定时器唤醒系统；PM3模式为系统最低功耗模式，内部数字稳压模块关闭，内部电路全部断电，只有复位、外部中断有效，I/O保持配置和输出状态，这时只能通过复位或者外部中断唤醒系统。

表1 CC1110低功耗工作模式

低功耗的无线节点采用的是PM2工作模式，因为PM3模式必须通过外部干预才能够唤醒，不符合设计要求。PM2模式的低功耗算法采用基于“唤醒—侦听”的工作方式，CC1110开始即进入PM2睡眠工作模式，待睡眠定时器完成计数后，唤醒系统进入全速工作状态，开启无线接收功能，侦听频道信息。如果接收到主机唤醒工作指令，那么恢复到正常工作状态，如果在设定的侦听时间内没有接收到主机指令或者非本机指令，则重新进入睡眠状态，并设定睡眠定时器进入下一次的“唤醒—侦听”循环。图6为“唤醒—侦听”无线节点低功耗的工作流程，其中无线节点在完成主机命令后，可在休眠指令下再次进入休眠模式。

图6 “唤醒—侦听”无线节点低功耗工作流程

针对上面思路设计的无线节点，在节点控制器唤醒程序设计时需要注意几点：一是因为节点的自主唤醒时间是随机的，所以节点控制器要在节点睡眠和唤醒时间内连续发送唤醒命令，这样如果节点设置较长的睡眠时间，那么可以有效降低系统的平均功耗，但是会增加节点控制器发送唤醒命令的时间，所以需要在功耗和性能之间权衡；二是当一个区域存在多个无线传感器节点时，可以设置多条控制命令，例如单个节点，或全部节点唤醒，或者全部节点睡眠。

3 测试计算

图7为节点模块的功耗测试电路实物图，包含了CC1110模块、无线充电模块、充电供电模块以及两路传感器供电模块。传感器的供电测试采用外接负载电阻的方式模拟。

系统应用中，设置节点的睡眠时间为2 s，节点唤醒时间为10 ms，节点活动时的平均电流为20 mA（开启无线收发，系统全速工作，不考虑传感器功耗），睡眠状态下测试节点的电流为0.2 m A（包含3路RT9013A-30PB以及整个CC1110模块）。可以计算出系统工作的平均电流为0.3 m A，则电池充满后，可以在待机情况下使用500小时。

图7 功耗测试电路实物图

结 语

系统综合硬件电路设计和程序流程控制，提出了一种基于CC1110的无线传感器网络低功耗节点设计方法，可以为一定范围内多无线传感器节点的星状网络模式提供设计参考。此外，对稳压芯片选择以及功耗计算进行了分析探讨。最终设计得到的节点不仅具有较长的工作时间，而且体积小、成本低，适合应用于多种场合。

[1]吴光斌，梁长垠.无线传感器网络能量有效性的研究[J].传感器技术，2004，23（7）：74-46.

[2]王洪刚，单志勇，李明.超低功耗粮仓无线实时监测系统设计[J].现代电子技术，2011，34（21）：46-48.

[3]习斌，刘涛.低功耗设计在嵌入式系统中的应用[J].靶场试验与管理，2011（3）：13-15.

[4]吴祥，康戈文.ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013（4）：64-67.

[5]戴由旺，李增有，韦俞锋.基于ZigBee的低功耗无线传感器节点设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（18）：121-123.

[6]宋彦，郭兵，沈艳.嵌入式系统低功耗的软件实现方案[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（9）：4-7.

[7]苏维均，邹军，于重重，等.基于ZigBee的温室监测系统的低功耗设计[J].计算机测量与控制，2012，20（7）：1812-1814.

[8]李文仲.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：30-34.

[9]RICHTEK.RT9161/A ＿DS9161/A-35-2011[EB/OL].[2014-07].http：//www.richtek.com.

[10]RICHTEK.RT9013＿DS9013-10-2011[EB/OL].[2014-07].http：//www.richtek.com.