基于ZigBee的低功耗無線傳感節(jié)點設計與實現(xiàn)
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節(jié)點能耗絕大部分消耗在無線通信部分，傳感節(jié)點使用無線方式傳輸1 b到100 m遠所消耗的能量可供執(zhí)行3 000條指令?？梢?，如何有效傳輸數(shù)據(jù)，合理安排工作休眠時間對于節(jié)約傳感節(jié)點能耗有著直接影響，這也是軟件設計應重點考慮的問題。
為了實現(xiàn)傳感節(jié)點的低功耗以及更優(yōu)的測量性能，設計時采用工作模式的選擇，通過無線配置傳感節(jié)點的工作參數(shù)，使節(jié)點能夠按照實際需要控制采集的時機和速率，從而降低能耗，以延長節(jié)點壽命。節(jié)點工作分空閑模式、觸發(fā)模式、主動模式3種。其中，空閑模式下的節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)，只是周期性的喚醒檢查有無來自服務器的控制命令，以更好地節(jié)約能耗；觸發(fā)模式下RF關閉，只有當傳感器測量值達到設定門限后才觸發(fā)RF進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)，同時可以根據(jù)不同的門限選擇相應的采樣率，適用于如森林火災等突發(fā)情況的監(jiān)測和預警；主動模式下傳感節(jié)點按配置的采樣率進行數(shù)據(jù)采集發(fā)送，周期性轉入休眠并自動喚醒。模式選擇及相應參數(shù)配置均來自傳感器網(wǎng)絡服務器。對傳感節(jié)點而言，該項工作是在無線接收過程中完成的。
3 低功耗測試
鑒于功耗測試特點，傳感節(jié)點工作模式設置為主動模式，即節(jié)點周期性地進行采集、發(fā)送、休眠，獲取不同階段的工作參數(shù)，依據(jù)一定方法進行壽命預測和驗證。
通過測試獲取節(jié)點工作參數(shù)如表2所示，工作電壓為3．3 V?？芍?jié)點工作時流耗大，在休眠狀態(tài)則小得多。因此，為保證在供電電量有限的情況下獲得更長的工作壽命，有必要將節(jié)點設置為間歇式工作模式，即工作休眠周期性交替進行。下式為節(jié)點壽命預測公式：
式中：Td為節(jié)點可工作天數(shù)；Qb為可用電池容量；tw為每周期內工作時長；ts為每周期內休眠時長；Iw為工作電流；Is為休眠電流。根據(jù)預潮公式及假定電池可用容量為1 000 mAh，可以預測在不同休眠時長下的工作天數(shù)如表3所示。對特定的傳感節(jié)點，其單周期內數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送所占用的工作時長是一定的，可變的就是休眠時長，通過控制傳感節(jié)點不同的休眠時長來獲取其相應的工作壽命特性。由表3可知，隨著休眠時長的增加，節(jié)點工作壽命隨之延長，當休眠時長為60s，即1 min進行1次數(shù)據(jù)采集發(fā)送時，傳感器節(jié)點能夠連續(xù)使用約1年時間。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/155428.htm
在實際測試過程中，采用孚安特鋰電ER14250H和普通7號南孚堿性電池進行比對實驗，前者電池容量為1 200 mAh，后者無容量標識，但根據(jù)其官方網(wǎng)站測試說明，估計亦在1 200 mAh左右?？紤]長時間測試中電池自放電效應，其實際可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的預測結果進行比較。實驗得到節(jié)點實際可工作天數(shù)如表3所示，測試結果與預測趨勢大體上是一致的，傳感節(jié)點可工作天數(shù)與其在一個工作周期內的休眠時長相關。所以，為延長傳感節(jié)點壽命，有必要根據(jù)實際情況確定節(jié)點的工作休眠時間，在保證網(wǎng)絡穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)可靠性的前提下盡量安排更多的休眠時間。另外，在組網(wǎng)測試中，傳感節(jié)點單跳距離約60 m，自組織特性良好，傳感節(jié)點可以選擇較優(yōu)路由入網(wǎng)，服務器對終端傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)測、控制功能均正常。該設計實現(xiàn)的溫濕度傳感節(jié)點如圖3所示，電路由CC2430射頻板和傳感器底板組成，兩者通過12 pin×2接口連接，方便安裝使用。
4 結語
本文介紹了一種基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)，并進行了測試。實驗結果表明，傳感節(jié)點具備低功耗特性，能夠通過無線實施靈活的測量和控制，滿足無線傳感器網(wǎng)絡要求。同時，節(jié)點設計方法有一定參照價值，便于移植和改進，可用于其他參量的測量與控制。誠然，降低功耗可以延長無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的使用壽命，如果能夠利用諸如光照、風力、震動等外界能量，從而使傳感節(jié)點有效地自我補給，這對于野外部署的無線傳感器網(wǎng)絡將有著積極意義。
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