低功耗無線傳感終端網絡系統設計與實現

Design and Implementation of the Wireless Sensing Terminal Network System

with Low Power Consumption

徐　潔1　丁國強2　熊　明2

(鄭州輕工業學院軟件學院1，河南 鄭州　450002；鄭州輕工業學院電氣信息工程學院2，河南 鄭州　450002)

低功耗無線傳感終端網絡系統設計與實現

Design and Implementation of the Wireless Sensing Terminal Network System

with Low Power Consumption

徐潔1丁國強2熊明2

(鄭州輕工業學院軟件學院1，河南 鄭州450002；鄭州輕工業學院電氣信息工程學院2，河南 鄭州450002)

摘要：針對無線傳感網絡系統中終端節點、中繼器等設備存在的低功耗技術需求，以MSP430芯片為核心，設計一種對環境溫濕度等參數進行檢測的低功耗無線傳感終端網絡系統。為了降低節點功耗,在ZigBee協議棧基礎上進行改進，設計了傳感終端節點的正常、監控和維護三種工作模式，使傳感終端和中繼器節點能夠按照實際需求控制采樣時機和速率，以降低傳感節點用于無線通信的能量開銷。實測結果表明，該無線傳感器網絡系統功能可靠，技術指標達到了系統節點低功耗設計目標。

國家自然科學基金地區聯合項目(編號：U1204603)；

河南省教育廳科學技術研究重點基金資助項目(編號：14B510030)

修改稿收到日期：2014-07-14。

第一作者徐潔(1979-)，女，2005年畢業于鄭州輕工業學院計算機科學與技術專業，獲碩士學位，講師;主要從事計算機集成測控技術的研究。

關鍵詞：MSP430芯片ZigBee協議傳感終端節點低功耗設計無線通信

Abstract：To fulfill the technical requirement of low power consumption for the equipment such as terminal nodes and repeaters in wireless sensing network, the wireless sensing terminal network system with low power consumption for detecting environment parameters of temperature and humidity, etc., has been designed using MSP430 as the core. In order to reduce node power consumption, on the basis of ZigBee stack protocol, improved design for three of the operating modes, i.e., normal, monitoring and maintenance of the nodes is conducted. Thus the sensing terminal and repeaters can control the timing and rate of sampling in accordance with actual requirements, to reduce the costs of energy for sensing nodes on wireless communication. The result of practical rests indicates that the functions of this wireless sensing network are reliable; its technical specification reaches the design objective of low power consumption.

Keywords：MSP430 chipZigBee protocolSensing terminal nodeLow power consumption designWireless communication

0引言

無線傳感器網絡一般在惡劣環境中工作，能量補充比較困難[1]，并且信息通信量大，因此無線傳感器網絡的節能技術成為研究開發的關鍵問題[2]。當前對無線傳感網絡節能技術的研究主要集中在兩方面：一方面是以增強能源利用效率和供電能力為主[3]，如可充電電池研究、太陽能電池研究等；另一方面以增強網絡能源利用效率為主，如節能型網絡拓撲結構研究,節能型網絡路由算法和協議研究[4-5]。但目前對于節能型通信模型的研究不夠深入。

本文針對現存的低功耗技術缺陷，提出一種基于ZigBee[6]協議的低功耗無線傳感網絡技術，使終端節點能根據實際情況進行參數設置，減少節點用于無線通信的能量開銷，實現無線傳感器網絡節點低功耗的目標。

1系統硬件設計

傳感終端網絡系統由服務器數據中心、無線傳感數據網絡和外網三部分組成。數據中心由數據服務器和軟件支持產品組成。數據中心能夠實時存儲來自各個無線傳感終端設備或中繼設備或網關設備數據，能夠通過GPRS或者3G網絡提供互聯網外網用戶數據訪問。

無線傳感數據網絡由終端節點、中繼器和網關三類硬件設備組成。終端節點設備可以對環境溫濕度數據、氣體含量數據、電壓電流等參數進行檢測。中繼器節點具有對異型傳感數據的自動識別和組裝處理功能，不但實現了對異型環境數據或者檢測對象物理參數的采集、傳輸和處理，而且實現了對環境或者檢測對象的實時定量和定性分析，擴展該系統的適用性[7]。網關節點接收中繼節點的數據，將數據通過GPRS或3G，提交到服務器，網關通過節點ID來區分和識別多個中繼節點和終端節點。各節點通過通信協議自組織成一個分布式局域網絡，具備網絡節點自組織管理能力，將采集數據優化后傳輸給信息處理中心。

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低數據速率、低復雜度的雙向無線通信技術[8]，適用于無線傳感器網絡。經綜合比較，該設計選用MSP430芯片。MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種具有16位超低功耗、精簡指令集(RISC)的混合信號處理器(mixed signal processor)。在實時時鐘模式下，電流可達2.5 μA;在RAM保持模式下，電流最低可達0.1 μA。利用MSP430單片機作為主控芯片來完成要求的功能，終端節點、中繼以及網關設備的關鍵部件采用XBee-PRO DigiMesh 2.4 GHz模塊組成，利用3G或GPRS模塊實現外網傳輸。

1.1　終端節點的設計

終端節點電路原理如圖1所示。終端節點設備主要由MSP430芯片、溫濕度傳感器SHT7X和ZigBEE無線射頻模塊組成，采用溫濕度傳感器SHT7x實現環境溫度、濕度數據信息的采集，并與MSP430芯片的P50端口通信完成溫濕度數據的存儲管理功能；ZigBEE射頻模塊XBEE Pro芯片和MSP430主控芯片的P2端口連接，接受MSP430控制器的控制管理，實現數據信息的無線通信功能；MSP430芯片作為系統的主控芯片，完成終端節點所處位置信息、傳感器數據類型、名稱信息和有效工作范圍等信息配置功能。按鍵S1是復位鍵，若終端節點工作不正常或者在使用需要終端節點設備復位時，按下該按鍵，則終端節點自動恢復到初始狀態。按鍵S2是數據發射按鍵，如在使用過程中需要手動檢測環境監測數據信息時，按下S2鍵，則終端設備能夠自動發送一組溫濕度傳感數據值，通過網關設備在服務器顯示界面中能夠實時觀測該數據數值[9]。

圖1　終端節點設備電路原理示意圖

1.2　中繼節點的設計

中繼器設備電路的連接與終端節點相似，它是以MSP430芯片為核心，連接無線射頻ZigBee XBEE Pro芯片模塊組成的中繼器節點。其主要功能是以無線通信方式溝通終端節點設備和網關或者服務器，協調傳送服務器指令控制終端節點設備的啟動、休眠與數據發送等功能，定時收集終端節點設備的傳感數據發送到網關或者服務器監控設備。

2系統軟件設計

2.1　終端節點的交互協作

終端設備通過配置信息來描述此節點所處實際位置、各傳感器名稱頭有效工作范圍等參數。終端節點有以下三種工作狀態。

正常狀態下，終端節點設備收集溫濕度傳感器數據信息，通過無線通信將數據傳輸到中繼節點。中繼節點發指令請求傳輸數據，終端節點讀取傳感器數據信息，將數據信息傳輸到就近的中繼設備點。

由于傳感器數據是實時變化的，可以利用終端節點的監控狀態來設置傳感器工作閾值，監控傳感器采集的數據不在工作閾值內的非法數據，同時終端節點主動上傳數據請求到中繼設備點。

維護狀態可用于檢測傳感器是否損壞、電池電量檢測頭基礎信息更新等工作。

終端節點與中繼器的交互協調過程如圖2所示。

終端節點啟動時完成系統按鍵啟動、初始化服務啟動、系統時鐘啟動、溫濕度傳感器SHT7x啟動、XBEE服務啟動以及系統必需的初始化參數和指示器(LED指示燈和蜂鳴器)功能的檢測，然后進入終端節點與中繼器的交互工作過程。終端節點設備首先啟動定時檢測功能，若定時時間已達到，則關閉定時器，同時喚醒此時休眠中的XBEE模塊。終端節點開始采集溫濕度傳感器SHT7x的傳感數據信息，MSP430控制芯片啟動XBEE模塊進行數據的發送步驟，接著等待中繼器節點的回復信息。若接收到中繼器的回復信息，則表明數據一次數據發送成功，則終端節點更新計數值，XBEE恢復到休眠狀態，終端節點同時啟動定時器開始休眠定時計數功能。在此過程中，終端節點會自動檢測電池的電量值，正常情況下在發送溫濕度數據時終端節點也自動把電池電量數據發送出去，若出現電池電量低于設置的閾值時，則會立即啟動低壓電量中斷程序。由XBEE模塊向網關發送低壓電量數值，并有LED閃光燈和蜂鳴器進行聲光報警。若在終端節點設備休眠過程中按下自動發送鍵S1，則終端節點設備會自動啟動按鍵發送中斷程序，喚醒XBEE模塊實現溫濕度數據的立即傳送操作。

圖2　終端交互協作流程圖

2.2　中繼節點的交互協作

系統中繼器節點設備實現系統數據的無線傳輸功能，并對大量終端數據信息進行協調，解決大容量數據擁塞問題。其工作協調過程如圖3所示。

圖3　中繼交互協作流程圖

在與終端節點協調工作中，中繼器節點的XBEE模塊始終檢測終端節點的數據信息。若檢測終端傳感數據，則中繼器自動在MAC數據列表中對檢測到的終端數據信息進行MAC信息匹配。若數據信息和MAC列表能夠匹配，則說明是已經存在的終端節點設備發送的傳感數據信息，并更新計時器時間；若檢測到的終端傳感數據信息與現有的MAC列表不匹配，則認為該終端設備節點是新加入網絡系統中的，中繼器節點自動把終端節點的MAC地址添加到中繼器的MAC列表中去，并檢測傳感數據信息的傳感數據類型，為其添加標示碼字節。不論哪種情況，中繼器都會自動地把傳感數據提取到本地存儲器中暫存，并同時發送至網關，進行上傳操作，同時中繼器節點自動向終端節點發送回復信息。本方案系統中，一個中繼器節點可以檢測到255個終端節點信息。若中繼器檢測到網關發送的控制指令，中繼器自動分析控制命令，通過與MAC地址列表比對，確認終端節點設備并發送相應的控制命令至終端設備節點。

在整個無線傳感網絡系統中，中繼器設備需要長時間不斷電工作，能耗較高，因此設計的中繼器設備安裝在建筑物的外墻上，且采用太陽能可充電電池供電方式。

2.3　大容量終端節點數據的算法

算法流程如圖5所示。

圖4　大量終端數據擁塞處理算法流程示意圖

在傳感網絡系統的設計中，需要解決的一個重要問題是大容量終端節點數據的擁塞問題。本文設計了一種針對大容量終端節點設備數據的處理算法，其主體思路是采用計數同步，依次錯開終端設備節點的數據發送時間。

中繼器中包含著一個終端MAC分配表，管理終端的起步時間，若有新終端節點加入網絡系統，中繼器在終端MAC地址分配表中添加新的MAC標示值，并分配一個終端節點的起步時間StarNum。終端啟動時自動發送報到信息至中繼器，等待協調數據通信同步信息；中繼協調器回復信息中包含著一些終端標示碼、MAC地址、起步時間StarNum、當時計數CueNum、最大值MaxNum等信息；接收到回復后，終端節點進入休眠中[10]，開始計數，若當時計數為CueNum，采用步長1 s或者設定最大值，若達到最大值MaxNum時計數器置0，重新開始計數，中繼節點同時計數。當終端節點達到計數終值時，終端節點被喚醒進行數據采集與發送過程。中繼器節點自動向終端節點發送回復信息。

3試驗過程

利用所設計的無線傳感網絡系統進行環境溫濕度傳感檢測試驗。試驗人員采用一臺服務器、一個中繼器、一個網關電路和三個終端節點設備構筑了實驗室環境溫濕度測試系統。網關通過RS-232接口連接到服務器，中繼器節點和終端節點都采用兩節7#干電池供電，中繼器和網關、服務器設備都在實驗室內部放置，終端節點分布在周圍500 m范圍區域內，進行環境溫濕度傳感網絡系統試驗測試。環境溫濕度測試數據曲線如圖5所示。

圖5　系統測試環境溫度和濕度數據曲線

試驗過程中，設置每60 s采集一組數據進行無線傳輸，并在監控軟件界面中顯示出來。試驗結果表明，試驗系統沒有發生數據丟失現象。另外試驗人員采用目前市場上比較優質的鎳氫電池在100 m范圍內對網絡系統耗電量進行了測試，測試結果如表1所示。

測試結果表明，網絡系統的檢測周期最小為4.86 s，能夠在5 s內完成組網、數據發送等功能。采用6 000 mA電量的鎳氫電池，系統能夠連續工作兩年以上，這個結果基本滿足了無人值守環境中系統連續可靠工作的最大年限要求。

表1　網絡系統耗電量測試

4結束語

本文介紹了一種基于ZigBee技術的低功耗無線傳感終端網絡技術的設計與實現。實測結果表明，該無線傳感網絡能夠通過無線靈活地實施測量和控制, 滿足無線傳感器網絡低功耗的設計要求，并具有測量范圍廣、體積小、質量輕、易于安裝、維護簡單，檢測精度高、穩定性好、抗干擾性強、數據傳輸安全、云端網絡控制等特點。開展低微功耗無線終端網絡系統，對物聯網技術的發展有著重要的意義，具有良好的應用前景。

參考文獻

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中圖分類號：TN925+.1;TP393+.1

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501016