无线温度测控系统低功耗传感器节点设计

彭 芬

(武汉职业技术学院 电子信息工程系，湖北 武汉,430074)

无线温度测控系统低功耗传感器节点设计

彭 芬

(武汉职业技术学院 电子信息工程系，湖北 武汉,430074)

针对在无线温度测控实际应用中传感器节点布置维护较困难的情况，本文基于ZigBee协议，利用CC2530的睡眠定时器，设计了低功耗温度传感节点，给出节点设计的整体框图及硬件设计与软件设计流程。

温度测控；ZigBee；无线传感；低功耗设计；

1 引言

无线传感网络的监测区域大多在野外或环境比较恶劣的地方，比如在进行大体积混凝浇注时的无线温度测控中，传感器节点被布置于混凝土表面和内部，使得传感器节点只能依靠电池供电，人不便于经常更换电池。为了尽可能在有限的电池容量下用最低能量消耗率换取尽可能大的数据采集量和信息的传送量，并尽可能地延长网络的使用寿命，一种稳定可靠、灵活方便的低功耗无线传感器网络节点的设计在整个网络中的作用至关重要[1]。

ZigBee是一种无线自组网技术标准，由ZigBee联盟制定。该技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。在传感器网络等领域应用非常广泛，这得益于它强大的组网能力，同时它的功耗是比较低的。

本文将基于ZigBee 技术，进行无线温度测控低功耗传感器节点的设计。

2 整体方案

ZigBee可组成星型、树型和网状型三种网络结构，应用时根据实际需要来选择合适的ZigBee网络结构，三种ZigBee网络结构各有优势。

当监控区域比较集中时，可以采用星形拓扑网络结构。本次选取的方案为ZigBee星形结构，包含多个现场温度采集的终端节点，一个协调器节点和一个上位机监测平台，系统结构如图1所示：

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

终端节点使用温度传感器对浇注现场环境的温度进行实时的采集，并将这些温度信息通过无线传输方式发送给协调器节点；协调器节点通过无线传输方式接收各终端节点的温度数据，在LCD上对多个现场终端节点的温度数据进行交替显示，并且将这些温度数据发送给上位机；上位机监测平台对现场的环境温度数据进行实时显示。

这就必须要求一个合理的低功耗的硬件和软件系统。

3 硬件设计

实际运行时，协调器节点往往可以有条件使用常用电源，而终端节点一般是靠电池来供电，因此对其功耗的控制显得至关重要。节点的低功耗设计也主要是针对终端节点。

终端传感节点主要负责数据的采集、处理与传输，能量的消耗主要体现在这几个方面。数据采集的能耗与传感单元有关。数据的无线传输与无线收发单元有关，其能耗在三者之中占比是最大的，与发送接收时长、发送接收次数有关。数据处理功耗比无线传输功耗要小得多[2]。我们应尽可能地进行本地数据的处理，减少数据的无线传输，在硬件上尽量采用低功耗的器件。

本系统终端温度传感节点硬件结构如图2所示，主要由CC2530、温度传感器及电源组成，实验阶段加LCD进行实时温度数据显示[3]。

图2 传感节点硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of sensor nodes

3.1 CC2530

CC2530是TI公司推出新一代的低功耗无线SoC芯片。它符合IEEE 802．15．4标准和ZigBee PRO/ZigBee RF4CE规范，拥有8KB的RAM，32/64/128/256 KB闪存。它具有4种低功耗工作模式：PM0模式是完全功能模式，PM1、PM2、PM3是3种睡眠模式。它在全功能模式PM0时，接收电流24mA，发送1dBm电流27mA；在PM1模式(4μs唤醒)时，接收电流0．2mA；在PM2模式(睡眠计时器运行)时，接收电流1μA；在PM3模式(外部中断)时，接收电流0.4uA。在宽电源电压范围(2V～3．6V)，其无线收发时的功耗和灵敏度相比CC2430有了显著的提高。低功耗是ZigBee非常重要的特点，CC2530的发射电流为29mA，在低功耗休眠模式下，只消耗不到1uA的电流。

CC2530内部集成了处理器(MCU)、无线收发器(RF)模块。节点硬件设计基于CC2530来实现。

3.2 温度传感器DS18B20

数字温度传感器DS18B20是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件。它具有线路简单、体积小的特点，被封装后可应用于多种场合，系统中采用的是防水封装的DS18B20。

3.3 电源

终端传感节点中所使用的核心芯片cc2530工作电压为2-3.6V，温度传感器DS18B20的工作电压为3-5V。因此，采用2节干电池供电完全可以满足需要。

4 软件

本系统的软件采用基于TI公司的ZStack-CC2530-2.5.1a协议栈，利用IAR Embedded Workbench V8.10 for 8051集成开发环境进行，采用C语言编程，在TI公司提供的ZigBee PRO协议栈的基础上进行应用层开发。

无线收发器是节点功耗的主要来源。传感节点内的无线射频芯片拥有四种状态：发送状态、接收状态、空闲状态和休眠状态。无线射频芯片直接监听网络接收状态，消耗电流达到 17.3mA。在休眠状态下无线射频芯片不能接收或发送无线数据，也无法直接监听网络。但此时它的消耗电流为 400nA，比接收状态小5个数量级[4]。

一般情况下，ZigBee网络的数据传输量较小，比如本系统中传输的数据为混凝土的温度参数，根据监测的实际情况，是不需要每时每刻都进行数据的传输，这样大部分节点在不需要进行温度数据传输的情况下是处于空闲状态的。为减小网络的能源消耗，我们可利用ZigBee节点提供的多种供电模式，关闭空闲节点的无线收发器，使微控制器进入睡眠状态[5]。

CC2530的PM2模式比较省功耗，而且可以被定时唤醒；PM3模式最省电，但是只能被外部中断唤醒。终端节点(本案中为温度传感节点)，在硬件没有加其他模块如射频唤醒等时，本系统采用PM2模式。带有传感器的终端设备，需要周期性的唤醒，发送采集的数据，它们的大部分时间都是处于睡眠状态，以降低功耗。

CC2530供电模式的转化可以利用睡眠定时器来完成。睡眠定时器可设置睡眠模式与主动模式之间的转化周期，即睡眠时间。设置睡眠时间，即设置睡眠定时器的比较值。当定时器的值等于对应比较器的值时，定时器就会从睡眠模式进入主动模式。

图3 终端传感器节点软件流程图Fig.3 Software flow chart of sensor nodes

根据实际测控系统对象的水化放热规律，在大体积混凝土浇注初期，由于水泥水化放热量大，其内部会产生大量的热量，导致温度急剧升高，也就说温度变化快，温度变化梯度大，此阶段温度传感器节点采集数据的密度大，节点的睡眠时间设置就短一些；而在中期和后期，随着放热速度的减慢，温度变化梯度变小，节点的睡眠时间设置长，通过调节不同睡眠周期参数，有利于更进一步降低功耗。因为z-stack提供API定时器最大定时时间不超过510s，所以，如果需要定时很长时间的话，就需要自己去再封装一层。

终端传感器节点负责与协调器节点通讯，将温度传感器采集的温度数据通过无线传输方式发送到协调。终端节点需要完成对温度传感器DS18B20 、协议栈的初始化及对CC2530的时钟、I/O等的初始化，使能中断，完成对睡眠定时器定时时间的设置等。终端传感器节点软件流程如图3所示。

5 结束语

本文基于ZigBee技术进行无线温度测控低功耗传感器节点的设计，采用 CC2530作为核心数据处理芯片，外围电路简单。利用CC2530的多种供电模式，实时调整工作方式，以减少节点功耗。经测算，在活跃状态下，微控制器能够进行采样和计算工作，能量消耗为毫安级别，而在休眠状态下，微控制器停止CPU工作，能量消耗是微安级别。整个系统功耗大为降低，为无线温度系统长期使用电池供电提供可能。

[1]王耀兴，刘建军.低功耗WSN节点及其接口协议的设计[J].计算机科学，2014, 41(11A)：228-231.

[2]张涛.基于CC2530的温度监测模块设计与应用[D] .江西：南昌大学，2012.

[3]邓中华.基于ZigBee的无线温度采集系统设计[J].计算机工程与科学，2011，33(6)：164-167.

[4]陈嘉峰，刘财兴，尹令，等. 一种无线姿态传感节点的能耗优化研究[J]. 传感技术学报，2016，29(10)：1565-1572.

[5]吴键，袁慎芳.无线传感器网络节点的设计和实现[J].仪器仪表学报，2007，27(9)：1120-1123.

Design of low-power sensor node in wireless temperature measurement and control system

PENG Fen

(Department of Electronics & Information Engineering，Wuhan Polytechnic, Wuhan 430074,China)

According to sensor node in wireless temperature measurement and control system being placed usually at some place where sensor nodes are managed difficultly, this paper proposed a design method of low power consumption temperature sensor nodes based on ZigBee agreement and using the sleeping timer of CC2530．The overall diagram of hardware and software is provided.

temperature measurement and control；ZigBee；wireless sensor；low power design

1672-7010(2017)04-0076-04

2017-06-08

2017年武汉职业技术学院校级课题 “大体积混凝土无线温度控制系统研究”。

彭芬(1971-)，女，湖南双峰人，副教授，硕士，主要从事无线传感网络研究,E-mail:645257354@qq.com

TP368.1

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