基于ZigBee的无线温湿度采集节点的低功耗设计*

周四清 吴双双 刘云超

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)



基于ZigBee的无线温湿度采集节点的低功耗设计*

周四清 吴双双 刘云超

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

设计了一种以电池供电的无线温湿度采集节点，为降低节点功耗，从硬件和软件两方面进行了低功耗设计，从器件选型、电路设计、工作模式等方面进行了低功耗处理，使满足无线传感网络对节点低功耗的要求，并通过试验进行了验证。

低功耗；ZigBee；温湿度

0 引言

传统的温度传感器、温度记录仪、温湿度变送器等广泛用于环境、工业生产的温湿度测量。在人员难以到达、环境恶劣等场合，传统测量方式存在布线困难，长引线造成测量误差大、测量时间长等特点。采用传统的温度传感器、记录仪、变送器组成的温湿度测量系统在使用中存在很大的局限性。

传统的无线传输技术如wifi、蓝牙分别存在功耗高、传输距离短等缺点，难以应用到电池供电的温湿度测量场合。ZigBee技术是一种低数据速率、低功耗、低复杂度，适用于传感网络的双向无线通信技术。随着针对无线传感网络的ZigBee技术的快速发展及其在测量系统中的广泛应用，无线传输节点单次充电持续工作时间应不少于10天，且体积重量小，便于安装和更换。本文对应用ZigBee技术的无线温湿度采集节点低功耗设计进行了研究，硬件与软件设计采取了相应的措施，实现了无线采集节点的低功耗目标，并进行了试验验证。

1 节点系统结构

温湿度采集节点系统结构见图1，由微控制器、无线收发模块、AD数据转换模块、电源管理模块、RS232通信接口、数据存储器等组成。

图1 无线温湿度采集节点原理框图

节点系统考虑了现场测量需求，传感器接口包括了环境测量用数字温湿度传感器、中温测量用热电阻传感器、高温测量用热电偶传感器的接口。AD转换模块将传感器输出的模拟量转换为数字量，送入微处理器进行换算拟合后通过无线收发器发送给主机。

2 节点低功耗设计

无线温湿度采集节点低功耗设计策略主要分为硬件低功耗设计和软件低功耗设计两个方面。硬件低功耗设计主要通过选用低功耗器件和简化电路减少器件来完成。软件低功耗设计以灵活控制器件的休眠和唤醒状态，优化程序流程来进行。

2.1 硬件低功耗设计

硬件低功耗设计关键是芯片选型。节点元器件选型要充分考虑测量性能、宽电压性能和低功耗要求。

ZigBee无线收发模块选用TI公司的CC2530芯片，具有宽电源电压范围2～3.6V，休眠功耗仅为0.4μA。主控制芯片选用TI公司的低功耗16位微控制器MSP430F2122，工作电源电压范围1.8～3.6V，休眠模式功耗0.7μA。AD转换芯片采用ADI公司的24位模数转换芯片AD7793，工作电压2.7～5.25V，省电模式最大电流1μA。湿度传感器选择瑞士Sensirion公司的SHT15，工作电压2.4～5.5V，温度误差±0.3℃，湿度测量误差±2%RH，测量状态功耗3mW，休眠状态最大5μW。

节点测量部分的硬件电路图如图2所示，微控制器MSP430F2122与AD7793采用四线制SPI的通信方式，微控制器MSP430F2122与数字温湿度传感器采用I2C连接。RT为四线制铂电阻温度传感器Pt100，R1为低温漂参考电阻(5×10-6/℃)，C2、C3为去耦电容。IOUT1输出1mA电流经过RT、R1，电阻R1两端电压作为AD芯片的采样基准电压以消除IOUT1输出电流产生的误差。

图2 测量电路硬件原理图

电池管理电路如图3所示。无线采集节点采用充电电池供电，充电电池可选用锂电池或者锂聚合物电池。电源管理单元由充电芯片、电量管理和稳压芯片组成。选用Linear公司锂电池充电芯片LTC4507，采用Linear公司的锂电池电量管理芯片LTC2941-1，稳压芯片采用奥地利AMS公司的AS1360-3.3芯片。

图3 电池管理电路

外接电源VDD输入UB1后给电池充电，UB2通过内部串联在SENSE+、SENSE-之间的小电阻实现充放电过程的电池电量计量，UB3将外部电源或者电池稳压至3.3V给系统数字部分供电，UB4将外部电源或者电池稳压至3.3V给系统模拟部分供电。微处理器通过I2C查询UB2中记录的电池电量数据，通过SHDN控制外部充电通断。

2.2 节点系统软件低功耗设计

节点监测模式的采集传输程序流程如图4所示，主要包括数据采集和无线通信两个部分。电池供电系统对功耗要求高，软件的低功耗设计的重点在于工作模式和芯片的低功耗处理。

3 节点低功耗测试

节点功耗主要由各芯片及传感器组成，其典型功耗见表1，根据各电子元器件计算出的理论工作电流和休眠电流见表2。

图4 节点软件流程图

表1 器件典型功耗

采用直流稳压电源给无线采集节点供电，利用数字多用表34401A结合上位机实时测量记录1小时的唤醒模式和休眠模式下的平均电流，测试结果见表2。可以看出，休眠状态下，节点功耗远低于唤醒状态。

表2 节点工作电流理论值与实际值

为验证电池供电的续航能力，节点设置循环唤醒状态时间为2s，在不同的休眠时间间隔进行测试。唤醒时，开启无线收发功能以及温湿度采集。供电电池采用容量1000mAh锂聚合物电池，考虑电池自放电效应等因素，电池实际使用容量比实际要小，按800mAh的实际使用容量进行核算。实际测试工作时间见表3。

表3 节点功耗测试结果

由表3可以看出，实际测试工作时间与预计工作时间大体一致。从试验结果可以看出，增加休眠时间可以有效延长无线温湿度采集节点的电池使用时间。在实际使用中可以根据实际网络情况和性能需求，调整无线收发开启时间或模式、采集间隔、休眠时间等来延长节点电池使用时间。在休眠间隔设定为60s的情况下，采用两节1000mA电池并联时，可持续工作超过30天。

4 结束语

本文设计的采用ZigBee进行传输的低功耗无线温湿度采集节点实物见图5，该节点采用单节点3.7V聚合物电池供电。节点可根据测量需求外接工业铂电阻或者热电偶进行温度测量，也可用板载温湿度传感器进行温湿度测量。

图5 无线温湿度采集节点硬件实物图

无线温湿度采集节点应用于卷烟厂生产车间和实验室环境温湿度稳定性和均匀性的检测。现场应用和试验结果表明，传感节点达到了低功耗设计理论工作要求，功能能够满足无线测量和控制。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.06