基于ZigBee的低功耗無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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節(jié)點(diǎn)能耗絕大部分消耗在無(wú)線(xiàn)通信部分，傳感節(jié)點(diǎn)使用無(wú)線(xiàn)方式傳輸1 b到100 m遠(yuǎn)所消耗的能量可供執(zhí)行3 000條指令?？梢?jiàn)，如何有效傳輸數(shù)據(jù)，合理安排工作休眠時(shí)間對(duì)于節(jié)約傳感節(jié)點(diǎn)能耗有著直接影響，這也是軟件設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗以及更優(yōu)的測(cè)量性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用工作模式的選擇，通過(guò)無(wú)線(xiàn)配置傳感節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，使節(jié)點(diǎn)能夠按照實(shí)際需要控制采集的時(shí)機(jī)和速率，從而降低能耗，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。節(jié)點(diǎn)工作分空閑模式、觸發(fā)模式、主動(dòng)模式3種。其中，空閑模式下的節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只是周期性的喚醒檢查有無(wú)來(lái)自服務(wù)器的控制命令，以更好地節(jié)約能耗；觸發(fā)模式下RF關(guān)閉，只有當(dāng)傳感器測(cè)量值達(dá)到設(shè)定門(mén)限后才觸發(fā)RF進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)可以根據(jù)不同的門(mén)限選擇相應(yīng)的采樣率，適用于如森林火災(zāi)等突發(fā)情況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；主動(dòng)模式下傳感節(jié)點(diǎn)按配置的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送，周期性轉(zhuǎn)入休眠并自動(dòng)喚醒。模式選擇及相應(yīng)參數(shù)配置均來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)而言，該項(xiàng)工作是在無(wú)線(xiàn)接收過(guò)程中完成的。
3 低功耗測(cè)試
鑒于功耗測(cè)試特點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)工作模式設(shè)置為主動(dòng)模式，即節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)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(jìn)行壽命預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。
通過(guò)測(cè)試獲取節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)如表2所示，工作電壓為3．3 V?？芍?，節(jié)點(diǎn)工作時(shí)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(zhǎng)的工作壽命，有必要將節(jié)點(diǎn)設(shè)置為間歇式工作模式，即工作休眠周期性交替進(jìn)行。下式為節(jié)點(diǎn)壽命預(yù)測(cè)公式：
式中：Td為節(jié)點(diǎn)可工作天數(shù)；Qb為可用電池容量；tw為每周期內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)；ts為每周期內(nèi)休眠時(shí)長(zhǎng)；Iw為工作電流；Is為休眠電流。根據(jù)預(yù)潮公式及假定電池可用容量為1 000 mAh，可以預(yù)測(cè)在不同休眠時(shí)長(zhǎng)下的工作天數(shù)如表3所示。對(duì)特定的傳感節(jié)點(diǎn)，其單周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送所占用的工作時(shí)長(zhǎng)是一定的，可變的就是休眠時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)控制傳感節(jié)點(diǎn)不同的休眠時(shí)長(zhǎng)來(lái)獲取其相應(yīng)的工作壽命特性。由表3可知，隨著休眠時(shí)長(zhǎng)的增加，節(jié)點(diǎn)工作壽命隨之延長(zhǎng)，當(dāng)休眠時(shí)長(zhǎng)為60s，即1 min進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集發(fā)送時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠連續(xù)使用約1年時(shí)間。本文引用地址：http://2s4d.com/article/155428.htm
在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，采用孚安特鋰電ER14250H和普通7號(hào)南孚堿性電池進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，前者電池容量為1 200 mAh，后者無(wú)容量標(biāo)識(shí)，但根據(jù)其官方網(wǎng)站測(cè)試說(shuō)明，估計(jì)亦在1 200 mAh左右?？紤]長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中電池自放電效應(yīng)，其實(shí)際可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)得到節(jié)點(diǎn)實(shí)際可工作天數(shù)如表3所示，測(cè)試結(jié)果與預(yù)測(cè)趨勢(shì)大體上是一致的，傳感節(jié)點(diǎn)可工作天數(shù)與其在一個(gè)工作周期內(nèi)的休眠時(shí)長(zhǎng)相關(guān)。所以，為延長(zhǎng)傳感節(jié)點(diǎn)壽命，有必要根據(jù)實(shí)際情況確定節(jié)點(diǎn)的工作休眠時(shí)間，在保證網(wǎng)絡(luò)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(shí)間。另外，在組網(wǎng)測(cè)試中，傳感節(jié)點(diǎn)單跳距離約60 m，自組織特性良好，傳感節(jié)點(diǎn)可以選擇較優(yōu)路由入網(wǎng)，服務(wù)器對(duì)終端傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)測(cè)、控制功能均正常。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)如圖3所示，電路由CC2430射頻板和傳感器底板組成，兩者通過(guò)12 pin×2接口連接，方便安裝使用。
4 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感節(jié)點(diǎn)具備低功耗特性，能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)實(shí)施靈活的測(cè)量和控制，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)要求。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法有一定參照價(jià)值，便于移植和改進(jìn)，可用于其他參量的測(cè)量與控制。誠(chéng)然，降低功耗可以延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，如果能夠利用諸如光照、風(fēng)力、震動(dòng)等外界能量，從而使傳感節(jié)點(diǎn)有效地自我補(bǔ)給，這對(duì)于野外部署的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將有著積極意義。
評(píng)論