基于ZigBee的低功耗無線傳感節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：以CC2430芯片為核心設(shè)計一種用于溫濕度測量的無線傳感節(jié)點，為了降低節(jié)點功耗，在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，為傳感節(jié)點設(shè)計了空閑、觸發(fā)和主動等3種工作模式，使節(jié)點能夠按照實際需求控制采樣的時機(jī)和速率，以減少傳感節(jié)點用于無線通信的能量開銷，從而滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點低功耗的設(shè)計要求，同時根據(jù)已知參數(shù)預(yù)測傳感節(jié)點壽命，并通過實驗進(jìn)行了驗證。
關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感節(jié)點；低功耗；工作壽命

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，以無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有助于人們更好地感知客觀世界，極大擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識世界的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，對電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時聞卻要求長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題，也是當(dāng)前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點。
傳感器節(jié)點由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。其中，前3個模塊消耗能量，由于傳感器模塊消耗能量相對較低，目前研究的重點主要集中在處理器模塊和通信模塊上。處理器模塊節(jié)能策略通常有動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和動態(tài)功率管理(Dynamic Power Management，DPM)。前者的工作原理是當(dāng)計算負(fù)載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力，可以節(jié)約微處理器的能耗；后者是利用當(dāng)節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，以延長節(jié)點壽命。通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節(jié)能策略尤為重要，主要包括控制節(jié)點通信流量，合理安排工作休眠時間以及采用多跳通信方式等。
本文通過對硬件的選擇配置和軟件的靈活設(shè)計，采用3種備選工作模式，使節(jié)點能根據(jù)實際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，減少節(jié)點用于無線通信的能量開銷，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗目標(biāo)，同時完成相關(guān)測試對該設(shè)計方案進(jìn)行驗證。

1 節(jié)點硬件設(shè)計
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。經(jīng)綜合比較，該設(shè)計選用CC2430芯片，該芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協(xié)議的SoC解決方案，它在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，最大27 mA的工作流耗及在休眠模式下0．9μA的流耗使之非常適合無線傳感節(jié)點對低功耗的要求。

在此采用深圳金圖旭昂有限公司的TSZ-CC2430開發(fā)系統(tǒng)，移植美國密西西比大學(xué)的精簡ZigBee協(xié)議棧，以CC2430芯片為核心設(shè)計一種用于環(huán)境監(jiān)測的溫濕度傳感節(jié)點，通過軟硬件設(shè)計方法實現(xiàn)傳感節(jié)點的低功耗目標(biāo)。