基于无线传感器网络节点的无线防误锁具设计

王刚， 晏利, 杨志宏， 吴海 ， 饶丹

(1.国网电力科学研究院,江苏 南京 210000；2.河海大学,江苏 南京 210000)

基于无线传感器网络节点的无线防误锁具设计

王刚1， 晏利2, 杨志宏1， 吴海1， 饶丹1

(1.国网电力科学研究院,江苏 南京 210000；2.河海大学,江苏 南京 210000)

无线传感器网络使用电池供电，能量十分有限，其功耗问题严重制约了无线传感器网络的发展与应用。结合无线防误锁具，从硬件选型和低功耗软件设计两个方面设计无线传感器网络节点，降低功耗，延长网络的使用寿命。

无线防误锁具； 无线传感器网络； 树形网络拓扑； 硬件选型； 软件设计； 低功耗

0 引 言

得益于微机电系统、片上系统、无线通信技术和低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络获得了的发展。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，能够通过分散布置的传感器节点协作地进行实时监测、感知和采集各种监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送,并以自组织多跳的网络方式传送到监控设备。无线传感器网络体积小、成本低，一般采用电池供电，电量十分有限，频繁更换电池十分麻烦，且在某些特殊的场合更换电池十分困难,所以必须要研究采用何种措施来降低功耗，延长电池的使用寿命[1]。本文结合无线防误锁具，介绍无线传感器网络的低功耗设计。

1 功能要求及组网方式

1.1 功能要求

无线防误锁具的系统结构图见图1，无线防误锁具具备一次设备状态实时采集功能，监控主机可实时获得现场一次设备的状态，包括临时接地线、开关柜门、网门状态，并与现场设备实现实时对位，解决部分一次设备的状态监控系统无法实时采集的问题[2]。其通信要求见表1。

图1 无线防误锁具系统结构图

表1 无线防误锁具通信要求

因为其通信要求有较低的数据传输速率与占空比、直接相互通信的节点数量有限，而且网络节点的硬件资源有限，所以对低功耗的要求非常高。

1.2 组网方式

图2 线防误锁具组网方式

无线防误锁具的组网方式如图2所示，采用树形网络拓扑，AP为主节点(无线防误锁具管理机)，负责网络的建立和管理。RE是AP的子节点，为中继节点。ED是RE的子节点，为终端节点，即固定安装于现场的采集模块，负责现场数据的采集和执行管理机下达的操作命令。终端节点之间相互不通信。RE只负责数据的转发，不进行数据的具体处理。

数据上行时，子节点永远把数据发送到自己的父节点，由父节点再向上转发，直到到达主节点。数据下行时，主节点根据存储的路由表，再一级一级往下发，直到到达目标节点[3]。

2 低功耗设计

无线传感器网络节点的使用寿命决定了整个网络的使用寿命，所以，网络节点设计的优良将直接影响无线传感器网络的寿命，因而其低功耗设计尤其重要。无线传感器网络节点的低功耗设计可以从硬件设计和软件设计两个方面展开。

2.1 硬件设计

网络节点的硬件框图如图3所示，包括电池模块、传感器采集模块和处理器及射频模块[4]。其核心模块处理器及射频模块采用TI公司的射频芯片CC1110。CC1110是一款专为低功耗无线应用而设计的一款低功耗低成本SoC(system-on-chip)，内部集成了增强型低功耗8051处理器内核和无线收发芯片CC1110，无线通信可工作在315/433/915 MHz的ISM频段(此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用)。

图3 硬件框图

CC1110有四个时钟源，分别是高速晶振(26-27 MHz)、高速RC振荡器(13-13.5 MHz)、32.768 kHz晶振、低速RC振荡器(34.667-36 kHz)。

CC1110具有非常低的电流消耗。在接收状态下电流消耗大约为16.2 mA，发射状态下电流消耗大约为15.2 mA。CC1110支持四种低功耗模式，见表2。

在PM3模式下，所有内部稳压器和振荡器都关闭。这种模式功耗最低，所有的内部电路(由内部稳压管供电)都关闭。只有复位和外部I/O中断处于运行状态。在进入PM3模式之前，I/O口保留I/O模式和输出值的设定。复位和外部中断可以唤醒设备进入活跃模式，其电流消耗只有0.3 μA。

在PM2模式下，上电复位、外部中断、低功耗RC振荡器和32.768 kHz晶振、睡眠定时器(Sleep Timer)处于活跃状态。在进入PM2模式之前，I/O口保留I/O模式和输出值的设定。RAM中的内容和大部分寄存器值保存下来。其他内部电路切断电源。PM2模式使用睡眠定时器(Sleep Timer)作为唤醒事件。PM2模式拥有第二低的功耗，其电流消耗为0.5 μA。

表2 CC1110是四种低功耗模式

2.2 软件设计

为了降低网络节点的功耗，延长网络的使用寿命，除了在硬件选型方面选择低功耗芯片外，还要在软件设计上降低功耗。

主节点和中继节点一直处于工作状态，直接从市电中取电。终端节点安装于现场，采用电池供电，采用睡眠唤醒机制来进行低功耗设计[5]。软件流程图如图4所示。

图4 终端节点软件流程图

节点上电初始化后，设置睡眠定时器Sleep Timer来确定唤醒周期。Sleep Timer可用于PM0、PM1、PM2三种模式，能够将芯片从睡眠模式唤醒进入活跃状态，并接收即将到来的射频数据包。SleepTimer的时钟源为32.768 kHz晶振或者低速RC振荡器。PM3模式虽然功耗最低，但是不能被Sleep Timer唤醒，所以采用PM2模式作为芯片的睡眠状态。

当睡眠定时器Sleep Timer定时时间到，节点进入网络侦听状态，接受主节点(管理机)发来的数据包，其帧格式如表3所示。

表3 帧格式

帧处理软件流程图如图5所示，节点根据数据包的目标地址(即from_ID)判断消息是否发送给自己，如果是，则根据命令类型做出相应的动作，完成后进入睡眠状态循环；如果不是，直接进入睡眠状态循环[6]。

图5 帧处理流程图

3 测试与结果分析

3.1 节点部署

如图6所示，部署八个网络节点进行网络的组网和通信能力测试，其中1为主节点，地址为1；2-8为子节点，地址分别为2-8。每两个相邻节点之间距离约达200 m。其中4为路由节点，只负责数据的转发。

3.2 低功耗测试

网络节点供电电压恒定，为3.3 V，所以只测试电流即可知道系统的功耗，表4为测试的结果，由此可见节点进入睡眠状态的功耗非常低。实际应用中，节点大部分时间处于睡眠状态，而活跃状态的电流约为20 mA。采用电池供电(一般容量为1 000 mAh)，可使节点工作达到数年之久。

图6 网络节点部署

表4 测试结果

4 结束语

本文结合无线防误锁具，设计了一种无线传感器网络，并从硬件设计和软件设计两个方面进行低功耗设计，将网络节点的功耗进一步降低，使得节点能够工作达数年之久，避免频繁更换电池的麻烦。节点不仅功耗低，而且体积小、成本低，其应用非常广泛。

[1] 魏春娟，杨俊杰，吕剑.一种低功耗无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器,2013,40(6)：128-131.

[2] 陈冲，王瑞闯，张乐斌.基于ZigBee无线传感器网络的防误闭锁系统[J].现代电力,2009，36(5)：27-31.

[3] 威力斯.ZigBee树形无线传感器网络在医院准危重病人实时监护系统中的应用研究[D].上海交通大学,2013.

[4] 潘琢金，刘继磊，罗振.低功耗无线传感器网络节点的设计与实现[J].计算机工程与设计,2015,36(12)：3225-3229.

[5] 李坤明，杨光友，李军.低功耗无线传感器网络终端节点的硬件设计与实现[J].湖北工业大学学报,2015，30(4)：9-12.

[6] 张春元.实时低功耗无线传感器网络设计[J].仪表技术与传感器,2013,40(1)：89-91.

Design of Wireless Anti-misoperation Locks Based on Wireless Sensor Network Nodes

Wang Gang1, Yan Li2, Yang Zhihong1, Wu Hai1, Rao Dan1

(1. State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing Jiangsu 210000, China；2. Hohai University, Nanjing Jiangsu 210000, China)

As the wireless sensor network is powered by batteries with very limited energy, power consumption problem seriously restricts its development and application. In this paper, based on wireless anti-misoperation locks, wireless sensor network nodes are designed from two aspects, namely hardware selection and low power consumption software design so as to reduce power consumption and prolong the service life of the network.

wireless anti-misoperation lock；wireless sensor network； tree network topology； hardware selection；software design；low power consumption

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.005

TP3

A

1000-3886(2017)01-0013-03

王刚(1991-)，男，江苏人，硕士生，研究方向：电力系统自动化。 晏利(1991-)，女，江苏人，硕士生，研究方向：控制工程。 杨志宏(1968-)，男，江苏人，硕士，教授级高级工程师，研究方向：电力系统自动化。 吴海(1978-)，男，江苏人，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统自动化。饶丹(1978-)，女，湖北人，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统自动化。

定稿日期: 2016-07-28