低功耗无线传感终端网络系统设计与实现

Design and Implementation of the Wireless Sensing Terminal Network System

with Low Power Consumption

徐　洁1　丁国强2　熊　明2

(郑州轻工业学院软件学院1，河南 郑州　450002；郑州轻工业学院电气信息工程学院2，河南 郑州　450002)

低功耗无线传感终端网络系统设计与实现

Design and Implementation of the Wireless Sensing Terminal Network System

with Low Power Consumption

徐洁1丁国强2熊明2

(郑州轻工业学院软件学院1，河南 郑州450002；郑州轻工业学院电气信息工程学院2，河南 郑州450002)

摘要：针对无线传感网络系统中终端节点、中继器等设备存在的低功耗技术需求，以MSP430芯片为核心，设计一种对环境温湿度等参数进行检测的低功耗无线传感终端网络系统。为了降低节点功耗,在ZigBee协议栈基础上进行改进，设计了传感终端节点的正常、监控和维护三种工作模式，使传感终端和中继器节点能够按照实际需求控制采样时机和速率，以降低传感节点用于无线通信的能量开销。实测结果表明，该无线传感器网络系统功能可靠，技术指标达到了系统节点低功耗设计目标。

国家自然科学基金地区联合项目(编号：U1204603)；

河南省教育厅科学技术研究重点基金资助项目(编号：14B510030)

修改稿收到日期：2014-07-14。

第一作者徐洁(1979-)，女，2005年毕业于郑州轻工业学院计算机科学与技术专业，获硕士学位，讲师;主要从事计算机集成测控技术的研究。

关键词：MSP430芯片ZigBee协议传感终端节点低功耗设计无线通信

Abstract：To fulfill the technical requirement of low power consumption for the equipment such as terminal nodes and repeaters in wireless sensing network, the wireless sensing terminal network system with low power consumption for detecting environment parameters of temperature and humidity, etc., has been designed using MSP430 as the core. In order to reduce node power consumption, on the basis of ZigBee stack protocol, improved design for three of the operating modes, i.e., normal, monitoring and maintenance of the nodes is conducted. Thus the sensing terminal and repeaters can control the timing and rate of sampling in accordance with actual requirements, to reduce the costs of energy for sensing nodes on wireless communication. The result of practical rests indicates that the functions of this wireless sensing network are reliable; its technical specification reaches the design objective of low power consumption.

Keywords：MSP430 chipZigBee protocolSensing terminal nodeLow power consumption designWireless communication

0引言

无线传感器网络一般在恶劣环境中工作，能量补充比较困难[1]，并且信息通信量大，因此无线传感器网络的节能技术成为研究开发的关键问题[2]。当前对无线传感网络节能技术的研究主要集中在两方面：一方面是以增强能源利用效率和供电能力为主[3]，如可充电电池研究、太阳能电池研究等；另一方面以增强网络能源利用效率为主，如节能型网络拓扑结构研究,节能型网络路由算法和协议研究[4-5]。但目前对于节能型通信模型的研究不够深入。

本文针对现存的低功耗技术缺陷，提出一种基于ZigBee[6]协议的低功耗无线传感网络技术，使终端节点能根据实际情况进行参数设置，减少节点用于无线通信的能量开销，实现无线传感器网络节点低功耗的目标。

1系统硬件设计

传感终端网络系统由服务器数据中心、无线传感数据网络和外网三部分组成。数据中心由数据服务器和软件支持产品组成。数据中心能够实时存储来自各个无线传感终端设备或中继设备或网关设备数据，能够通过GPRS或者3G网络提供互联网外网用户数据访问。

无线传感数据网络由终端节点、中继器和网关三类硬件设备组成。终端节点设备可以对环境温湿度数据、气体含量数据、电压电流等参数进行检测。中继器节点具有对异型传感数据的自动识别和组装处理功能，不但实现了对异型环境数据或者检测对象物理参数的采集、传输和处理，而且实现了对环境或者检测对象的实时定量和定性分析，扩展该系统的适用性[7]。网关节点接收中继节点的数据，将数据通过GPRS或3G，提交到服务器，网关通过节点ID来区分和识别多个中继节点和终端节点。各节点通过通信协议自组织成一个分布式局域网络，具备网络节点自组织管理能力，将采集数据优化后传输给信息处理中心。

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度的双向无线通信技术[8]，适用于无线传感器网络。经综合比较，该设计选用MSP430芯片。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种具有16位超低功耗、精简指令集(RISC)的混合信号处理器(mixed signal processor)。在实时时钟模式下，电流可达2.5 μA;在RAM保持模式下，电流最低可达0.1 μA。利用MSP430单片机作为主控芯片来完成要求的功能，终端节点、中继以及网关设备的关键部件采用XBee-PRO DigiMesh 2.4 GHz模块组成，利用3G或GPRS模块实现外网传输。

1.1　终端节点的设计

终端节点电路原理如图1所示。终端节点设备主要由MSP430芯片、温湿度传感器SHT7X和ZigBEE无线射频模块组成，采用温湿度传感器SHT7x实现环境温度、湿度数据信息的采集，并与MSP430芯片的P50端口通信完成温湿度数据的存储管理功能；ZigBEE射频模块XBEE Pro芯片和MSP430主控芯片的P2端口连接，接受MSP430控制器的控制管理，实现数据信息的无线通信功能；MSP430芯片作为系统的主控芯片，完成终端节点所处位置信息、传感器数据类型、名称信息和有效工作范围等信息配置功能。按键S1是复位键，若终端节点工作不正常或者在使用需要终端节点设备复位时，按下该按键，则终端节点自动恢复到初始状态。按键S2是数据发射按键，如在使用过程中需要手动检测环境监测数据信息时，按下S2键，则终端设备能够自动发送一组温湿度传感数据值，通过网关设备在服务器显示界面中能够实时观测该数据数值[9]。

图1　终端节点设备电路原理示意图

1.2　中继节点的设计

中继器设备电路的连接与终端节点相似，它是以MSP430芯片为核心，连接无线射频ZigBee XBEE Pro芯片模块组成的中继器节点。其主要功能是以无线通信方式沟通终端节点设备和网关或者服务器，协调传送服务器指令控制终端节点设备的启动、休眠与数据发送等功能，定时收集终端节点设备的传感数据发送到网关或者服务器监控设备。

2系统软件设计

2.1　终端节点的交互协作

终端设备通过配置信息来描述此节点所处实际位置、各传感器名称头有效工作范围等参数。终端节点有以下三种工作状态。

正常状态下，终端节点设备收集温湿度传感器数据信息，通过无线通信将数据传输到中继节点。中继节点发指令请求传输数据，终端节点读取传感器数据信息，将数据信息传输到就近的中继设备点。

由于传感器数据是实时变化的，可以利用终端节点的监控状态来设置传感器工作阈值，监控传感器采集的数据不在工作阈值内的非法数据，同时终端节点主动上传数据请求到中继设备点。

维护状态可用于检测传感器是否损坏、电池电量检测头基础信息更新等工作。

终端节点与中继器的交互协调过程如图2所示。

终端节点启动时完成系统按键启动、初始化服务启动、系统时钟启动、温湿度传感器SHT7x启动、XBEE服务启动以及系统必需的初始化参数和指示器(LED指示灯和蜂鸣器)功能的检测，然后进入终端节点与中继器的交互工作过程。终端节点设备首先启动定时检测功能，若定时时间已达到，则关闭定时器，同时唤醒此时休眠中的XBEE模块。终端节点开始采集温湿度传感器SHT7x的传感数据信息，MSP430控制芯片启动XBEE模块进行数据的发送步骤，接着等待中继器节点的回复信息。若接收到中继器的回复信息，则表明数据一次数据发送成功，则终端节点更新计数值，XBEE恢复到休眠状态，终端节点同时启动定时器开始休眠定时计数功能。在此过程中，终端节点会自动检测电池的电量值，正常情况下在发送温湿度数据时终端节点也自动把电池电量数据发送出去，若出现电池电量低于设置的阈值时，则会立即启动低压电量中断程序。由XBEE模块向网关发送低压电量数值，并有LED闪光灯和蜂鸣器进行声光报警。若在终端节点设备休眠过程中按下自动发送键S1，则终端节点设备会自动启动按键发送中断程序，唤醒XBEE模块实现温湿度数据的立即传送操作。

图2　终端交互协作流程图

2.2　中继节点的交互协作

系统中继器节点设备实现系统数据的无线传输功能，并对大量终端数据信息进行协调，解决大容量数据拥塞问题。其工作协调过程如图3所示。

图3　中继交互协作流程图

在与终端节点协调工作中，中继器节点的XBEE模块始终检测终端节点的数据信息。若检测终端传感数据，则中继器自动在MAC数据列表中对检测到的终端数据信息进行MAC信息匹配。若数据信息和MAC列表能够匹配，则说明是已经存在的终端节点设备发送的传感数据信息，并更新计时器时间；若检测到的终端传感数据信息与现有的MAC列表不匹配，则认为该终端设备节点是新加入网络系统中的，中继器节点自动把终端节点的MAC地址添加到中继器的MAC列表中去，并检测传感数据信息的传感数据类型，为其添加标示码字节。不论哪种情况，中继器都会自动地把传感数据提取到本地存储器中暂存，并同时发送至网关，进行上传操作，同时中继器节点自动向终端节点发送回复信息。本方案系统中，一个中继器节点可以检测到255个终端节点信息。若中继器检测到网关发送的控制指令，中继器自动分析控制命令，通过与MAC地址列表比对，确认终端节点设备并发送相应的控制命令至终端设备节点。

在整个无线传感网络系统中，中继器设备需要长时间不断电工作，能耗较高，因此设计的中继器设备安装在建筑物的外墙上，且采用太阳能可充电电池供电方式。

2.3　大容量终端节点数据的算法

算法流程如图5所示。

图4　大量终端数据拥塞处理算法流程示意图

在传感网络系统的设计中，需要解决的一个重要问题是大容量终端节点数据的拥塞问题。本文设计了一种针对大容量终端节点设备数据的处理算法，其主体思路是采用计数同步，依次错开终端设备节点的数据发送时间。

中继器中包含着一个终端MAC分配表，管理终端的起步时间，若有新终端节点加入网络系统，中继器在终端MAC地址分配表中添加新的MAC标示值，并分配一个终端节点的起步时间StarNum。终端启动时自动发送报到信息至中继器，等待协调数据通信同步信息；中继协调器回复信息中包含着一些终端标示码、MAC地址、起步时间StarNum、当时计数CueNum、最大值MaxNum等信息；接收到回复后，终端节点进入休眠中[10]，开始计数，若当时计数为CueNum，采用步长1 s或者设定最大值，若达到最大值MaxNum时计数器置0，重新开始计数，中继节点同时计数。当终端节点达到计数终值时，终端节点被唤醒进行数据采集与发送过程。中继器节点自动向终端节点发送回复信息。

3试验过程

利用所设计的无线传感网络系统进行环境温湿度传感检测试验。试验人员采用一台服务器、一个中继器、一个网关电路和三个终端节点设备构筑了实验室环境温湿度测试系统。网关通过RS-232接口连接到服务器，中继器节点和终端节点都采用两节7#干电池供电，中继器和网关、服务器设备都在实验室内部放置，终端节点分布在周围500 m范围区域内，进行环境温湿度传感网络系统试验测试。环境温湿度测试数据曲线如图5所示。

图5　系统测试环境温度和湿度数据曲线

试验过程中，设置每60 s采集一组数据进行无线传输，并在监控软件界面中显示出来。试验结果表明，试验系统没有发生数据丢失现象。另外试验人员采用目前市场上比较优质的镍氢电池在100 m范围内对网络系统耗电量进行了测试，测试结果如表1所示。

测试结果表明，网络系统的检测周期最小为4.86 s，能够在5 s内完成组网、数据发送等功能。采用6 000 mA电量的镍氢电池，系统能够连续工作两年以上，这个结果基本满足了无人值守环境中系统连续可靠工作的最大年限要求。

表1　网络系统耗电量测试

4结束语

本文介绍了一种基于ZigBee技术的低功耗无线传感终端网络技术的设计与实现。实测结果表明，该无线传感网络能够通过无线灵活地实施测量和控制, 满足无线传感器网络低功耗的设计要求，并具有测量范围广、体积小、质量轻、易于安装、维护简单，检测精度高、稳定性好、抗干扰性强、数据传输安全、云端网络控制等特点。开展低微功耗无线终端网络系统，对物联网技术的发展有着重要的意义，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2] 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):74-76.

[3] Akyildizl I F,Su W,Cayirci E,et al.Wireless sensor networks:a survey[J].Computer Networks,2002,38(3):393-422.

[4] 李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展,2008,45(1):1-15.

[5] 王瑞荣,陈碧.低功耗自组织无线传感器网络[J].计算机测量与控制,2005,13(9):881-883.

[6] 戴由旺,李增有,韦俞锋.基于ZigBee的低功耗无线传感节点设计与实现[J].现代电子技术,2011,34(18):121-124.

[7] 黄可嘉,林创鲁,刘洋,等.一种低功耗无线传感节点设计[J].自动化与信息工程,2010(1):20-23.

[8] 凌志浩,周怡颋,郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报,2006,23(7):801-805.

[9] 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.

[10]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.

中图分类号：TN925+.1;TP393+.1

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501016