一种无线传感器网络低功耗节点的设计

1、智能仪表与传感器计算机测量与控制.2009.17(12)ComputerMeasurement&Control文献标识码:A2571文章编号:167124598(2009)1222571204中图分类号:TP393一种无线传感器网络低功耗节点的设计彭宇,罗清华,潘大为(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院自动化测试与控制系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:节点的功耗大小决定着整个无线传感器网络的生命周期,因此,节点的低功耗设计尤为重要;在简单介绍分析各节点设计解决方案及其特点的基础上,分析了无线传感网络系统中低功耗节点设计方案、关键芯片选择、设计及其实现,重点阐述了低功耗控制设计及其实现

2、方法,最后,完成了不同工作条件下的节点消耗电流测量和分析;实验结果表明,提出的节点设计方案在保证低功耗特性的同时,兼具良好通信性能。关键词:无线传感器网络;节点设计;低功耗DesignandImplementationofLow-NetworkSystemPeng,L(of,150001,China)Abstract:Thepowertlifecycleofthewirelesssensornetwork.Sothedesignoflow-powernodeisveryimportant.Afterofsensornodedesignandtheircharacters,itemphasize

3、dontheanalysis,selectionofkeychips,designandoftheschemeoflow-powerwirelesssensornodeinwirelesssensornetwork.Alsoitemphasizedonthelow-powercontroldesignanditsimplementation.Thecurrentconsumptionofthenodewasmeasuredandanalyzedunderdifferentworkingstates.Alsocommunicationdistancewasmeasuredunderdiffere

4、ntconditions.TheresultofexperimentshowsthattheWSNnodeshavegoodlow-powercharacterandhavegoodperformanceofcommunication.Keywords:wirelesssensornetwork(WSN);nodedesign;low-power0引言随着无线传感器网络(WSN)广泛应用于军事国防、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造、抢险救灾及生化等领域1,对其在广泛区域内的低成本、高密度布置需求成为无传感器节点设计必须满足的前提条件。但是,当前很多商业化的WSN节点没有充分考虑低功

5、耗需求而且成本也很高2。WSN节点绝大多数采用电池供电,如果没有有效的低功耗设计,在有限电量的电源供电时,它们的工作时间会很短。而无线传感器节点的功耗在很大程度上决定着网络的生命周期,因此低功耗设计和控制方法成为无线传感器网络节点设计需要关注的重要因素之一3。但是,目前很多节点设计没有综合考虑无线传感器节点的高性能、低功耗需求。例如克尔斯博公司的Telosa节点中,微处理器的片内RAM和Flash容量都很有限,需要外扩存储单元,这样不但增加了成本,而且加大了功耗和设计的复杂度;Intel公司的Mote2节点中处理器的处理能力很强,但是功耗较大,仅适合做汇聚节点,而且很多节点设计采用的芯片比较陈

6、旧。因此,针对现实需求,设计出综合性能优越的无线传感器节点有很重要的现实意义。目前,普遍采用的WSN节点设计方案基本结构由理器模块、传感器模块、无线射频模块和能量供应模块4部分组成,如图1所示4。根据对图1所示的基本结构中组成单元的取舍,可将已有收稿日期:2009204221;修回日期:2009206209。作者简介:彭宇(19732),男,陕西西安人,工学博士,主要从事自动化测试技术、故障诊断和WSN方向的研究。的节点设计方法分为3类:图1传感器节点体系结构1)基于微控制器和射频芯片,在微控制器上运行协议栈,灵活性较高,可以灵活选用芯片,并充分发挥各种优势。典型应用采用MSP430和CC24

7、20;2)SOC系统,为了提高系统可靠性,降低成本,将微控制器和射频芯片整合到单芯片上,典型应用:CC2430、CC2431和JN5121等。缺点:灵活性差,功耗较大,例如:CC2430采用8051单片机内核处理能力有限;Jennic公司的JN5121的发射和接收电流都很大,在4050mA的范围;3)基于微控制器和协处理器,典型应用MSP430和CC2480。协处理器CC2480是运行协议栈的,控制器仅运行应用程序,微控制器的负担大大减轻,开发人员利用简单的API函数进行应用开发,大大加快了项目的开发,缺点:灵活性也较差,仅仅支持ZigBee协议栈。第一类方案可以兼顾ZigBee协议栈和无线传

8、感器网络操作系统TinyOS,灵活性较高,因此本文选择基于微控制器和无线射频芯片的设计方案。由于无线传感器网络节点应用的场合各不相同,所需要的传感器和相关的电路也不尽相同,对应电路的功耗也不一样,中华测控网2572计算机测量与控制第17卷因此,本文讨论的低功耗节点设计方法主要分析处理器和收发器单元的功耗控制及与之相应的设计方法。1硬件设计111微控制器的选择目前比较常用的单片机微控制器有很多,但是适合于无线传感器网络环境的却很少。采用较多的是Atemel公司的AT2mega系列单片机和TI公司的MSP430系列超低功耗单片机。表1是一些常见无线传感器节点方案所选用的单片系统的参数对比5。从表1

9、可以看出,TI公司的MSP430系列16位单片机总体性能在能耗方面有较大的优势。作为一种高集成度、功能丰富、功耗极低的16位微控制器,其工作电流、待机电流都很低。特别是MSP430F2618高性能低功耗微处理器,支持较低的工作电压和较宽的工作电压范围,具有16位CPU,支持的频率高达16M,同时还可切换到32K以降低功耗。在存储器方面,有116KB8KRAM,不需要外扩存储单元,上有硬件乘法器DDMA、SPI、I2C和UART/低速通信接口,而且这些外,以降低功耗。在低功耗工作状态控制方面,有5种可以根据应用调整的休眠模式,最大程s的时间即可从度地保证了功耗的灵活控制。而且仅需不到1待机模式唤

10、醒。因此,本文的设计选择MSP430F2618作为微控制器。表1五款微控制器特征表TIMSP430F2618TIMSP430F16111.83.68MHz10KB48KBTIMSP430F1491.83.68MHz2KB60KBUART,的CC2420、美国Freescale公司推出的MC13192、美国ComXs公司推出的ML7065及美国Ember公司的EM2420等。TI公司推出的第二代214G无线收发器CC2520为无线通信技术的发展又注入了新的活力。常见支持IEEE80211514的无线收发芯片的主要技术指标如表2所示5。其选型主要从芯片功能、技术先进性、封装大小、通信距离、芯片工作

11、时需外围器件的多少、通信频段、功耗及睡眠电流等方面,并结合芯片的性价比、开发成本及技术支持等多方面因素综合考虑。表2支持IEEE802.15.4协议的常见无线收发芯片主要参数性能()/电流(mA)睡眠电流(A)最大输出功率(dB)接收灵敏度(dBm)封装/大小(mm)输出功率可控RSSI3.833.65dBm,25.80dBm/18.5-50dBm0.12+5-98QFN28(RHD),535CC242024002.13.617.40dBm/18.81.00-95QLP-48,737-92QFN-32535MC1319224002.03.630.0/37.02.5是是是是是否由表2可知,以上几

12、款射频芯片中,CC2520的睡眠电流ATmega128L2.75.58MHz4KB128KBUSRT,是最低的,电源电压范围比较宽,118V就可以工作。相对CC2420而言,它有较广泛的硬件支持、灵活的安全指令、较工作电压(V)1.83.616MHz8KB116KB12位ADC,大的缓存、较宽的发射功率范围、较低价格、更高的接收灵敏度、更小的封装等优点。虽然其发射功率和接收功率(视线通信距离可达400m)相对CC2420较大,但是传感器节点绝大部分时间是处于睡眠状态,而其睡眠电流很小。因此,选择CC2520作为节点收发单元的射频芯片。113硬件总体设计最高工作频率RAMFlash看门狗,双两个

13、USART看门狗,12位ADC,根据所选择的核心功能器件,低功耗节点的硬件总体设计方案如图2所示。微控制器MSP430F2618和射频芯片CC2520通过SPI相互通信,GPIO实现辅助通信,微控制器通过两个GPIO分别控制VERG_EN和RESETn信号,实现对功耗和片上外围模块定时器/比较器,3通道DMA,4个USCI,硬件看门狗,12位ADC,看门狗,10位ADC,定时器/比较器,DMA,硬件定时器/比较器,0.28(2.2V,时定时器/比较器,20.0(5V,乘法器等工作电流(mA)0.365(2.2V,时乘法器等0.33(2.2V,时复位的控制。预留出SPI、I2C等通信接口以及GP

14、IO接口以便与传感器电路相连接。通过晶振接口配置一个6M的高频晶振和一个32K的低频晶振。钟1MHz)A0.5A0.1钟1MHz)A1.1A0.2钟1MHz)A1.6A0.1时钟8M)A30.0A20.0待机电流(A)关闭电流(A)112无线射频芯片的选择随着IEEE80211514标准的发布,世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持IEEE80211514标准的无线收发芯片。比较典型的射频芯片有挪威Chipcon公司(后被TI收购)推出中华测控网图2传感器节点设计框图第12期彭宇,等:一种无线传感器网络低功耗节点的设计25732低功耗设计与控制在节点的低功耗实现上,不但要选择低功耗的芯片,而且

15、还要有芯片低功耗控制和低功耗协议软件的支持。本文主要研究微控制器、射频芯片和协议软件的能耗措施。211微控制器的操作模式控制MAC协议时,尽量减小数据碰撞机率,减少重传次数。在设计路由器协议时,使用能量均衡消耗,最大程度地延长整个网络的生命周期。3软件设计软件开发以IARV4.10A为开发平台,采用C语言编写,在TI公司免费提供的Zstack-21110-11310协议栈的基础上进行软件开发。由于协调器需要一直工作,而且一般都是市电供电,因此在软件设计时暂不考虑低功耗设计措施。其工作流程如图3所示。协调器上电初始化后,选择一个能量最低的信道和网络标识,并允许其他设备加入网络。,并分配一个16位

16、的网络地;,。超低功耗微控制器MSP430系列单片机有软件选择的5种低功耗模式,分别是LPM0(低功耗模式0)、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。其中LPM0关闭CPU和MCLK(主时钟);LPM1关闭CPU、MCLK和DCO(内部的数控振荡器);LPM2关闭CPU、MCLK、SMCLK(次主时钟)和DCO;LPM3关闭CPU、MCLK、SMCLK、DCO,DC使能禁止;LPM4则将CPU和所有时钟全部关闭。因此可以根据实际需求,选择低功耗模式。例如在低功耗时,需要用ACLK和定时计数器来计时,那么通过设置状态寄存器中的OSCOFF、SCG0、SCG1比特位为10113,CPU,MCLK

17、,SMCLK,DCO,(助时钟)和计数器工作。的时候,s模式,响应速度很快。这也是MSP系列单片机区别于其他单片机的显著优点。212微控制器的时钟控制为了充分发挥MSP430F2618的高性能和超低功耗特性,配置了6M的高频晶振和内部的DCO(数控振荡器,其时钟信号精度较差),以实现快速响应,高性能的处理能力。同时,配置32K的低频晶振和内置的12K低频低功耗晶振给低速运行、低功耗和低速外设提供时钟,以降低功耗。这些时钟源的频率可以通过软件程控可调,它们产生MCLK、SMCLK、ACLK。一般说来,系统的功耗和系统的工作频率成正比,因图3协调器工作流程图终端节点一般是电池供电,在设计过程要尽量

18、采取降低功耗措施,其工作流程如图4所示。左边是终端节点的主程序流程图,右边部分是中断服务程序流程图。传感器节点上电初始化,MCLK采用1MHz,然后扫描信道,申请加入网络,如果没有加入成功,则重新加入网络;如果收到响应信号,则获得网络地址,加入网络成功,然后测量当前芯片电压和环境温度,并传输给协调器,接下来进入低功耗模式。此在低功耗应用场合选用12K的低频低功耗晶振。如果系统有较高的运算要求,则可以采用高频晶体提供MCLK。而系统在不需要很大计算量时,可以采用低频晶振。时钟可随应用的需要灵活切换,达到了高性能和低功耗的目的。213射频芯片的低能耗控制射频芯片CC2520有两种低功耗模式:LPM

19、1和LPM2,并可与活动模式进行任意切换。在LPM2状态时,芯片的数字电压调节器、时钟关闭,不保持数据,所有的模拟模块进入电源停止模式,此时电流典型值为30nA,对应功耗最低,但是唤醒时间较长;在LPM1状态时,芯片的数字电压调节器开启,时钟关闭,保持数据。由数字部分来控制模拟模块的电A。功耗比源是否进入停止状态,此时电流典型值为175LPM2大,但唤醒时间较短。在不需要发送和接收数据时,可通过微控制器将其VERG_EN管脚置低电平,使其进入LPM2模式,几乎关闭整个芯片,进入深度睡眠。也可以根据需要切换到LPM1或活动模式。另外输出功率可调,用户在软件中可以灵活地根据实际的通信距离等因素,通

20、过控制TX2POWER寄存器的值来动态调节射频芯片CC2520的输出功率,实现通信距离和功耗的折中。214协议能耗措施除了将微控制器和射频芯片尽量进入低功耗模式,在设计图4端节点的工作流程图中华测控网2574计算机测量与控制第17卷为了使ACLK给内部的定时计数器提供时钟以周期唤醒微控制器,因此使用LPM3,保持ACLK活动,具体实现如下:(1)微处理器MSP430F2618先将CC2520的RESETn管脚置低电平,然后将其VREG_EN管脚置低电平,使射频芯片CC2520进入深度睡眠LPM2(低功耗模式2)状态;(2)开启定时计数器(定时周期为300s),时钟选择ACLK;(3)由指令_B

21、IS_SR(LPM3_bits+GIE)设置SR(状态寄存器)进入LPM3,采用32K的ACLK,关闭CPU,及DCO、直流发生器、MCLK、SMCLK等不必要的外设。定时器计时计满5min时,产生定时中断,唤醒微控制器,然后转入正常工作模式,其实现如下:(1)微控制器将CC2520的VREG_EN,唤醒使其进入活动模式;(2);(3),进入LPM3模式。利用上述方法,整个节点不需要工作时,将进入睡眠状态,最大限度地降低功耗,使微处理器和射频芯片的低功耗特性得到充分发挥。4实验及分析在软件设计的基础上,实现了两个节点的对等通信和8个ZigBee无线传感器节点的简单无线网络通信,完成了对各节点的

22、温度和芯片电压的周期测量7,测量周期为5min。为了方便测试设计节点的通信性能和功耗,这里基于两个节点对等通信试验完成测试。3V电源是由两节AA-1.5V的干电池串联而成。电池电量为23700mAh。411能耗测试本实验对两个节点的通信电流进行了测试,本测试是仅对微控制器和无线射频芯片,为了和Telosb在相同条件下进行比较,本节点的微控制器的低功耗模式是采用LPM3,射频芯片的休眠模式是采用LPM2。测试结果及相关特征参数如表3所示2,6-7。表3不同工作状态下的工作电流节点工作状态最小工作电压发射0dBm(mA)接收(mA)CPU活动电流(mA)A)CPU休眠电流(射频芯片休眠(A)Fla

23、sh读电流(mA)Flash写电流(mA)表中列出了3个节点设计方案的特征参数。对于Telosb和Mica2节点来说,每次测量都要进行Flash的读写。而本设计节点没有这部分的功耗,故节点每次采集并发射的电流最小,约为2610mA。我们假设,系统绝大部分时间都处于休眠状态8,只有很短暂的时间在采集数据并发送数据,假设测量周期为一个小时。由表3可以看出,MCU和射频芯片的唤醒时间最大也只是013ms,考虑到采集、处理和发送数据时间都很短,让每次系统工作1s就足够了。那么它在每小时消耗的电量大致为:26/3600+359931162310-3/3600=0100884175mAh,节点的寿命为23

24、700/01008841756597d18y。而如果每小时系统工作10s时,26/360+3623=01,节点的寿命为2321,因此在长时间休眠的应用场合下更能发挥其,而且对应芯片的唤醒时间也很短,可以实现节点快速及时地处理突发事件。从上述分析来看,本设计方案的节点具有很强的低功耗特性。412通信距离试验对两个节点的通信距离做了如下试验:(1)在室内走廊内,测试节点放置不同的高度,测试它们的通信距离;(2)在空旷的广场上,放置节点不同的高度,测试它们的通信距离;(3)对两个节点通信做了穿墙通信试验。在试验的过程中,还发现在室外空旷地带通信时,还受白天和夜晚不同温度的影响。不同测试环境下的测试结

25、果如表4所示。表4不同测试条件下的通信距离节点高度测试环境室内走廊(室温)室外雪地(-5)室外雪地(50(m)120.0m30.0m40.0m0.5(m)150.0m60.0m88.2m1(m)155.0m63.0m93.0m本节点1.8V26.025.90.7241.50.120026.01.62<1.00.3Telosb1.8V19.521.81.82.61.04.115.135.13.6<6.00.3Mica22.7V25.415.18.020.01.09.421.656.421.00.3从表4中可以看出,节点具有较强的通信性能,节点的放置高度对通信距离也会产生一定的影响。放

26、置高度由0m增加时,通信距离就会增加,但是当放置一定的高度后,通信距离的改善就不明显了。另外温度也是影响通信距离的因素之一,在室外夜晚-5时,通信距离很有限,而当中午较高温度5时,通信的距离有所增加。从室内和室外环境进行比较可以看出,地面环境(雪和水)对通信也有一定的影响。尽管如此,其通信距离也优于Tmoteb节点。在穿透厚度为25cm墙后仍能通信30m。说明节点具有很强的穿墙通信能力。克尔斯博公司生产的Telosb节点其室外通信距离为75100m,室外通信距离2030m。故本节点的通信距离优于Te2losb节点。5结论为了实现低功耗、高性能的基于ZigBee的无线传感器节点,对多个适合节点设

27、计的微控制器和射频芯片进行了比较论证,选择基于MSP430F2618和CC2520的性能优越、低功耗的节点设计方案,并在设计过程中采取了一定的降低功耗的措施。试验结果证明,节点具有良好的低功耗特性和通信性能。(下转第2578页)节点采集发射(mA)节点休眠(A)s)MCU唤醒时间(射频唤醒时间(ms)中华测控网2578sequenceNumber=APLGet();command=APLGet();attributeId.byte.LSB=APLGet();attributeId.byte.MSB=APLGet();command&=APL_FRAME_COMMAND_MASK;if(

28、command=APL_FRAME_COMMAND_XXX)./执行相关的操作计算机测量与控制第17卷类型timer,标明其触发的时间间隔,而ticksleft标明所属timer所属的嘀嗒数。NUM_TIMERS标明timer的个数。提交任务函数的伪代码如下:TOS_post(Down_Task_queue3mission)建立临时指针;指针定位于优先级大于或者等于当前提交任务的优先级处;插入提交的任务;31212中断管理本传感器网络节点并不具备实时时钟源,内部时钟源TMR0负责组建各种类型的timer。根据TMR0信号源和分频比,TMR0触发的中断间隔是141572ms,本网络节点的应用层,

29、建立有一个timers队列,队列的每个元素是一个timer_s结构类型。每次TMR0中断之后,在timer队列中的各个tim2er减掉一个TMR0时间间隔。当某个或多个timer小于某个值的时候(根据TMR0timer的任务等待的时间已到,A/D转换模块UserInterruptHandler()中由TOS_post()。因为TMR0中断触发非常频繁,要求TMR0中断服务程序越简短越好,所以本文在TMR0中断服务程序中通过提交一个任务来对剩下的时间进行处理。用到的数据结构:Structtimer_sbytetype;Double-wordticks;Double-wordtick_left;t

30、imer_listNUM_TIMERS4结论目前,国内在ZigBee方面的研究都是在各自的硬件平台上研发不同的通讯协议,而且使应用层,Microchip支持的其,为以后WSN的开发提供了。参考文献:1叶湘滨,陈利虎.传感器网络在环境监测中的应用J.计算机测量与控制,2004,12(11):155-157.2闫静杰,刘晓文.基于无线传感器网络的井下水位监测监控系统的设计J.传感器与微系统,2007,27(12):119-120.3杜丽敏,郭文成.ZigBee技术在远程抄表系统中的应用J.单片机与嵌入式系统应用,2005,3(4):120-123.4陈新建,邵少雄.PIC系列单片机程序设计与开发应

31、用M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.5李文仲,段朝玉.PIC单片机与Zigbee无线网络实战M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.6吕治安.Zigbee网络原理与应用开发M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.其中type字段表明timer的类型,ticks字段仅针对repeat(上接第2574页)ofProcessing,Norway.LosAlamitos,CA,USA:IEEEComputerSocietyC.2005:419-426.4孙立民,等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版在WSN系统开发上还有很多问题需要解决,例如如何实现节点在很长时间休眠后的低功耗唤醒机制,用芯片内部的计数器是一个方法,无线唤醒可能也是一个考虑的方向;本设计的节点现在还仅在Zigbee协议栈上工作,还需要在操作系统TinyOS上,需要对其进行操作系统的移植;为了进一步降低功耗,可以