LR-WPAN低功耗節點設計與實現

王俊杰，王冠凌，楊 駿，孫少偉

(安徽工程大學安徽省檢測技術與節能裝置省級實驗室，安徽蕪湖241000)

LR-WPAN作為一種經濟、高效、低速率的新興無線通信網絡技術，可以隨時隨地實現無線網絡的無縫連接，已被廣泛地應用于家庭自動化、工業監控、醫療監護、安全與風險控制等領域。在這類應用中不僅對傳輸速率要求更低，更重要的是要求功耗低［1］。而在不影響網絡節點功能的前提下，設計一種低功耗的LR-WPAN節點，盡可能地降低網絡節點功耗，是目前國內外研究機構普遍關注的焦點。然而，目前對于LR-WPAN及其載體ZigBee網絡節點的低功耗設計還存在一些不足，如文獻［2］僅側重于ZigBee網絡的具體應用設計，并沒有將節點的低功耗設計考慮在內;文獻［3］在節點的協議設計上過于復雜，在實際應用中不易實施;文獻［4］沒有對節點的低功耗工作模式和喚醒機制進行說明，仍有進一步的提升空間。

本文針對上述設計中的一些不足，在綜合分析節點各模塊性能和能耗的基礎上，根據實際需要，分別從硬件和軟件2個方面入手進行低功耗節點的設計。在硬件低功耗設計中選擇集成度高、業界功耗最低、具有多種工作模式的MSP430F2410作為控制芯片，以功能強大、外圍電路簡單、具有多種低功耗工作模式的CC2533作為無線通信芯片，同時選擇低功耗的SHT21作為傳感器芯片，并通過設計DC/DC電源管理電路來充分利用電池能量。在軟件低功耗設計中，結合實際需要和DPM策略配置多種工作模式，合理安排工作與休眠時間以完成工作模式的切換，有效降低節點的能量消耗，從而實現了一種LR-WPAN低功耗節點的設計，使節點使用壽命更長、性能更加優越。

1 節點能耗分析

典型的LR-WPAN節點主要包括CPU模塊、無線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊。除電源模塊外，其余各模塊均是耗能模塊。各模塊的能耗情況如圖1所示［5］。可見無線通信模塊是節點的主要能耗模塊，而空閑狀態下節點的能耗占相當一部分比例。根據網絡節點的特性，節點在大多情況下都處于空閑狀態，故可將此狀態下的部分模塊關閉，僅在適當的情況下將其喚醒，以達到降低能耗的目的。因此，節點硬件低功耗設計中首先需要考慮的是各模塊盡量選擇低功耗的芯片，而且要具備多種工作模式，切換方便。節點軟件低功耗設計應考慮采用低功耗工作模式和合理的工作模式切換方法來降低節點的功耗。

圖1 節點各模塊能耗

2 硬件設計

圖2為低功耗節點硬件電路設計框圖。CPU模塊 MSP430F2410通過 SPI接口與無線模塊CC2533相連，通過普通I/O口與傳感器SHT21相連，同時外擴I/O口，構建CPU編程和串口通信等電路。輔助電路包括時鐘、晶振、按鍵、顯示等電路。為實現低功耗的設計需要，在晶振接口分別配置高速和低速2個晶振，由8 MHz高速晶振產生頻率較高的主時鐘MCLK，由32 kHz低速晶振產生頻率較低的輔助時鐘ACLK，分別滿足CPU高速運算和實時時鐘運行的需要。

圖2 低功耗節點硬件電路設計框圖

節點中CPU采用的是TI公司的混合信號處理器MSP430F2410。該處理器內部資源豐富，具有2個16位定時器、1個12位A/D轉換、6組I/O口、2路UART等，突出特點是功耗超低，在2.2 V電源電壓、1 MHz工作頻率下的工作模式電流僅有 0.27 mA，待機模式電流為 0.3 μA，關閉模式電流更是低至0.1 μA，I/O輸入端口的漏電流最大為50 nA，遠低于其他系列單片機。而1.8～3.6 V的寬工作電壓輸入使其更適用于節能系統應用。此外，430F2410的工作模式以先進的方式支持低功耗設計的各種要求。共有7種低功耗工作模式，其中低功耗休眠模式有5種，可以根據應用進行設置調整，最大限度降低功耗，且可在不到1 μs的時間超快速地從待機模式被喚醒。

由圖1可知，無線通信模塊是節點中能量消耗最大的，作為節點低功耗設計的重要組成部分，采用的是TI公司的2.4GHz頻段符合IEEE802.15.4協議的新一代ZigBee芯片CC2533。該芯片基于RF4CE技術，片內資源豐富，具有很好的集成度，外圍器件少，電路簡單，僅需時鐘晶振電路、射頻輸入輸出匹配電路和CPU接口電路即可完成模塊的設計。同時，CC2533功耗極低，且性能穩定，在2.0～3.6 V 工作電壓下支持接收、發送、空閑等多種低功耗的工作模式，且轉換時間極短，接收模式的電流損耗為25 mA，發射模式的電流損耗為28.5 mA，其選擇性和敏感性指數均超過了IEEE802.15.4標準的要求，保證了短距離通信的可靠性和有效性。

節點中傳感器模塊采用的是Sensirion公司的低功耗數字式溫濕度傳感器SHT21。SHT21是一種含有已校準數字信號輸出的傳感器，由于尖端采用節能運行模式，因此具有極高的性價比，只需2根I/O口線即可完成與CPU的信息傳遞，支持休眠和測量2種工作模式，工作在小電流狀態。在3.0 V的供電電壓下，休眠模式工作電流為0.15 μA，功耗為 0.5 μW;測量模式工作電流為0.3 mA，功耗為0.9 mW。

節點大都工作在無人值守的地方，通常選擇電池作為供電電源。而在節點的低功耗設計中，可將電源模塊中的電池視為一個理想的狀態。本設計選擇電源管理電路來降低節點功耗。根據節點不同模塊工作電源的特性，采用不同的微功耗同步升壓－降壓DC/DC轉換器完成電源模塊的設計［6］。節點電源模塊根據鋰電池 2.7 ～4.2 V的寬電壓輸入，分別采用Linear公司的LTC3440和LTC3531進行至3.3 V工作電壓的轉換設計。LTC3440轉換輸出提供CPU模塊、傳感器模塊和輔助模塊的工作電源，LTC3531轉換輸出則只提供無線通信模塊的工作電源，從而實現可關斷節點中某些處于不工作狀態下模塊供電電源的目的，延長電池的工作時間和使用壽命。

3 軟件設計

為了更好實現低功耗節點的設計，需要進行合理的低功耗節點軟件設計。低功耗節點的軟件設計主要包括節點入網、數據采集和無線傳輸，其中重點考慮的是節點的工作模式選擇和切換。結合節點的硬件低功耗設計可知節點的工作模式，其中:CPU的7種低功耗工作模式可劃分為運行、空閑和休眠3種;無線通信模塊的5種低功耗工作模式分別為接收、發送、空閑、休眠和關閉;SHT21的2種低功耗工作模式分別為休眠和測量。由此，則可計算出節點的工作模式狀態共有3×5×2=30種。從實用的角度上來說，不是所有的工作狀態模式都有意義，并且不同模式之間的轉換會消耗一定的能耗，同時有一定的時間延遲。如果工作模式轉換的能耗比節約的能量還大，則沒有必要進行這種模式轉換。此外，由圖1知無線通信模塊中空閑狀態和接收狀態的功耗相差不大，結合實際和文獻［7］的部分思想給出節點的幾種典型工作狀態模式，如表1所示。

表1 節點運行工作狀態模式

根據表1所述的節點運行工作狀態方式，可將節點歸納為主動和休眠2種模式，其中:S0、S1、S2歸為主動模式，可通過配置相應的節點工作參數，使節點能夠按照需要控制采集的速率和時間周期性地進行休眠，以達到降低功耗的目的;S3、S4為休眠模式，此時各模塊均處于掉電或者休眠模式，僅進行周期性喚醒以切換工作模式。設計的節點工作流程如圖3所示。

圖3 節點工作流程

節點上電后，首先進行節點硬件初始化，包括CPU初始化和CC2533初始化。通過一系列的初始化程序，完成節點的參數、寄存器以及工作模式的配置。初始化之后，節點發出請求加入網絡的信息。在接收到允許入網的信息后，節點加入網絡。之后進入輪循工作模式，查詢節點處于何種工作模式。若處于休眠模式，則按休眠模式繼續執行程序;若處于主動模式，則按主動模式繼續執行程序。當節點處于休眠模式中會首先啟動定時器，定時時間到時產生中斷，CPU接收到此事件的請求，退出休眠工作模式，開啟CC2533的供電電源，進入主動工作模式。當節點處于主動模式下會首先判斷是否需要向網絡中其他節點發送數據。若需要則發送數據，并關斷CC2533的供電電源，進入休眠工作模式;否則，判斷數據采集定時時間是否已到。若定時時間到，則進行數據采集、處理與發送任務，并同樣關斷電源，進入休眠工作模式;若定時時間未到，則進行空閑偵聽，偵聽是否有需要接收的數據。若有則先接收數據，再關斷電源，進入休眠工作模式;若沒有則在偵聽時間結束后關斷電源，進入休眠模式.從而完成節點工作模式的選擇與切換。節點周期性的休眠可降低節點的能耗。

4 節點性能測試

利用上述思想，設計了LR-WPAN低功耗節點，并對節點進行了性能測試，其中包括節點的功耗測試和通信測試。性能測試結果表明，設計的低功耗節點能很好地滿足網絡對能量和通信兩方面的需要。

4.1 節點功耗測試

節點中CPU模塊采用的是LPM3低功耗工作模式，無線通信模塊采用的是LPM2低功耗工作模式。通過測試獲得節點的功耗情況，并與國內典型節點［3］的比較，結果如表2所示。

表2 節點功耗比較

由表2可知，在主動模式和休眠模式下，Imote 2等節點的功耗均超過本文設計的節點，說明本文設計的節點具有更低的功耗。

4.2 通信測試

對2個節點的通信距離進行測試。在不同測試環境下，從一個節點連續單向發送一幀數據給另一個節點，發射功率不變，發送10000次，檢測到的接收信號成功率如表3所示。

表3 節點通信距離測試時接收信號成功率 %

由表3可知，在20 m內，節點在室內、外環境下通信效果良好。而在200 m以內，無障礙室外通信效果比較樂觀。但在室內環境下超過100 m通信效果不太理想，特別是有金屬障礙物時，超過80 m則基本接收不到。其他節點以Imote 2為例，室外通信距離為75～100 m，室內通信距離為20～30 m，因此本文節點通信距離仍然優于Imote 2等節點。

5 結束語

本文介紹了一種LR-WPAN低功耗節點設計與實現過程。在對節點中各模塊性能和功耗進行分析的基礎上，選擇基于MSP430F2410與CC2533的低功耗節點設計方案，使節點具有多種可選擇的低功耗工作模式，同時在軟件設計中結合實際需要詳細闡述了節點典型低功耗工作模式的選擇與實現過程。通過節點的實際性能測試表明，設計的節點具有良好的低功耗特性和通信性能，滿足LR-WPAN網絡低功耗、低成本、高穩定性的要求。按此方案設計的節點已在煙葉醇化溫濕度監測系統中進行使用，目前使用效果良好。同時，此節點的設計方案有著良好的擴展性，便于移植和改進，可用于其他無線網絡監測和控制領域中。將節點低功耗MAC和路由協議運用到節點設計中，并在此基礎上實現結構更復雜、功耗更低、功能更完善的網絡節點是下一步需要進行的工作。

［1］徐小濤，吳延林.無線個域網絡技術及其應用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

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［3］馮永平，張頔，羅嶸.一種低功耗傳感器網絡節點的設計［J］.電子技術應用，2009，26(4):34－40.

［4］彭宇，羅清華，潘大為.一種無線傳感器網絡低功耗節點的設計［J］.計算機測量與控制，2009，17(12):2571－2574.

［5］Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial Part IV:Sensor Network Protocols［Z］.Atlanta Georgia USA:Westin Peachtree Plaza，2002:23 －28.

［6］王冠凌，王俊杰.基于微功耗同步DC/DC轉換器的WSN節點電源模塊設計［J］.安徽工程大學學報，2012，27(2):84 －87.

［7］Sinhua A，Chandrakasan A.Dynamic power management in wireless sensor network［J］.IEEE Design and Test of Computer，2001，18(2):62 －74.