基于壓電自供電的無線傳感網絡網關節點設計

何宏 高艷囡 張志宏

摘 要：針對無線傳感網絡中網關節點數據傳輸量大、能耗高，導致其難以長時間工作的問題，基于ZigBee、GPRS、壓電電源設計自供電無線傳感網絡網關節點。首先，采用ZigBee最小系統CC2530和GPRS模塊搭建網關節點硬件結構，CC2530模塊實現處理、存儲接收數據，GPRS模塊實現遠距離傳輸數據；其次，采用壓電陶瓷片和能量轉換芯片LTC3588-1設計壓電自供電電源，給網關節點供電。實驗證明，壓電陶瓷片在固定振動頻率下，輸出電壓為70 V、電流為19 mA；當有1，2道墻阻隔時丟包率分別低于5%、10%?；趬弘娮怨╇姷臒o線傳感網絡網關節點具有無源、丟包率低、可靠性強等特點。

關鍵詞：無線傳感網絡；LTC3588-1；壓電自供電；CC2530

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0067-05

0 引 言

無線傳感網絡是由大量的微型傳感器組成的自組織無線網絡，通過節點間的相互協作來感知、采集、處理和傳輸對象的監測信息[1]，由傳感器節點、網關節點以及監測中心組成[2]。傳感器節點負責采集數據，經過ZigBee網絡把數據傳輸給網關節點，網關節點再通過基站把數據傳輸至監測中心。其中，網關節點是ZigBee網絡與監測中心之間的數據傳輸的關鍵節點，傳輸數據較多、耗電量較大[3-4]；若網關節點失去作用，ZigBee網絡采集的數據將無法上傳給用戶，整個網絡也就會面臨癱瘓[5-6]。

為解決上述問題，本文采用低功耗、低成本的ZigBee無線通信模塊和GPRS數據傳輸模塊設計網關節點，并根據壓電發電原理，設計了壓電自供電電源，給網關節點供電。

1 網關節點整體結構設計

網關節點的整體結構設計如圖1所示，由處理器模塊CC2530、GPRS數據傳輸模塊[7]和壓電電源組成。處理器模塊負責對接收到的數據進行存儲和處理，GPRS數據傳輸模塊負責遠距離傳輸數據[8]。GPRS與處理器之間通過UART接口連接。壓電電源包括壓電陶瓷片、能量轉換芯片和超級電容，壓電陶瓷片把外界作用力轉換為交流電輸出，通過能量轉換芯片轉換成直流電，存儲在超級電容中，給處理器和GPRS數據傳輸模塊供電。

2 網關節點硬件設計

2.1 微處理器模塊

微處理器模塊選用德州儀器研發的新一代ZigBee片上系統解決方案CC2530[9]，具高性能8051內核，128 KB可編程閃存，8 KB RAM，具備各種供電方式下的數據保持能力，支持ZigBee2007PRO協議以及硬件調試。CC2530核心電路如圖2所示，其中，RF_N和RF_P是射頻天線輸入輸出引腳，P0_2引腳和P0_3引腳作為USART0的RX端口和TX端口，跟GPRS模塊的10號引腳RX_I端口和9號引腳TX_O端口連接。

2.2 GPRS數據傳輸模塊

GPRS數據傳輸模塊選用SIMcom公司生產、內含TCP/IP協議的SIM900A模塊。通過處理器配置不同的AT指令，實現GPRS與監測中心之間的TCP/IP連接，從而把匯聚到網關節點的數據通過GPRS網絡遠距離發送至監測中心。

GPRS通信電路如圖3所示。RI引腳接來電指示燈LED2，引腳netlight接網絡指示燈LED1，通過LED1的閃爍模式來判斷網絡是否正常。

2.3 電源模塊

壓電自供電電源電路[10]如圖4所示。壓電能量收集芯片[11]LTC3588-1的引腳PZ1和PZ2兩端連接壓電陶瓷片。壓電片產生的能量一方面，通過電容C3為芯片內部的buck電路供電；另一方面存儲在兩個容量為4F的超級電容C1、C2中。超級電容具有容量大、充放電迅速的特點，比可充電電池使用壽命更長。超級電容兩端有兩個并聯的穩壓管，目的是防止超級電容過壓擊穿。當沒有外力作用在壓電片上時，Vin端電壓下降，超級電容開始向電容C3供電，當Vin的電壓值達到UVLO門限時，buck電路開啟，電能從C3轉向C6，由電容C6直接為負載提供電能。

3 網關節點軟件設計

網關節點軟件的功能是接收ZigBee網絡匯聚的數據，在有發送數據要求時，通過GPRS模塊接入GPRS網絡，發送數據至遠程監測中心。

ZigBee接收數據發送給GPRS的過程，要求二者具有相同的波特率，ZigBee網絡的建立和參數設置通過調用Z-Stack協議棧里的API函數及原語函數實現。而GPRS網絡的建立是由CC2530向GPRS模塊發送AT指令實現的。網關節點無線收發程序流程如圖5所示。

4 實驗測試

4.1 壓電能量收集理論

壓電材料在外界力的作用下會產生正、逆兩種壓電效應，實驗主要利用壓電材料的正壓電效應，把環境中的機械能轉化為電能[12-14]。壓電元件等效電路如圖6所示。

若外部施加壓力F，則壓電片產生電荷Q為

Q=d33F（1）

壓電陶瓷晶體的等效電容CP為

CP=εLW/h=εS/h（2）

式中：ε——壓電陶瓷晶體的介電常數；

S——壓電晶體面積；

h——壓電晶體厚度。

則開路電壓U：

U=d33F/CP（3）

可得電流IP為

IP=ωCPU（4）

4.2 電源測試

表1為實驗選用的PZT壓電陶瓷晶體參數。

由空氣的介電常數ε0=8.85×10-12 F/m，則壓電陶瓷片的介電常數ε=ε0·εT33=3 900×8.85×10-12 F/m。實驗測得壓電陶瓷片的開路電壓、輸出電流和振動頻率的關系曲線分別如圖7和8所示。

從圖中可以看出實驗采用的壓電陶瓷片的固定振動頻率在50Hz左右，最大電壓可達到70V，最大電流可達到19 mA。實驗采用的CC2530有3種供電模式：供電模式1，每隔4 μs喚醒一次節點，耗電量為0.2 mA；供電模式2，通過定時器喚醒，耗電量為1 μA；供電模式3，通過外部中斷喚醒，即節點進入深度睡眠，耗電量為0.4 μA。而SIM900A模塊同樣采用低功耗設計，睡眠模式[14]下最低耗電量僅有1.0 mA。實驗證明，壓電電源所產生的電量，滿足節點正常工作所消耗的能量。

4.3 信號強度和丟包率測試

ZigBee網絡中數據發送通過函數sendReport（）實現，然后由函數SampleAPP_MessageMSGCB（）對接收到的數據包進行處理，并在該函數中調用afIncomingMSGPacket_t*pkt函數即可獲得信號強度RSSI的值。

丟包率（PER）是接收端接收到的數據包個數與發送端發送的數據包個數之比。發送端的數據包個數通過在sendReport（）函數中增加一個數據包計數器得到；接收端數據包個數通過SampleAPP_MessageMSGCB（）函數中增加數據包計數器。實驗分別在1～3道混凝土墻（每墻厚度160 mm）阻擋的情況下對網關節點的丟包率和信號強度進行測試，每隔1 s發送一次數據，共發送1 000個數據，實驗測得的PER/RSSI與傳輸數據之間的關系曲線如圖9所示。

從圖中可以看出當有1道墻阻隔時丟包率不超過5%，接收信號強度在-45～-50 dBm之間。當有兩道墻阻隔時丟包率在5%～10%之間，信號接收強度在-55～-60 dBm之間。當有3道墻阻隔時，接收信號強度大幅下降，在-85～-100 dBm之間，丟包率也大幅上升，最大達到97%。故網關節點若布置在室內，應使兩節點間的障礙不超過兩道墻，才能保證網絡的穩定性和接收數據的可靠性。

5 結束語

網關節點是無線傳感網絡的關鍵節點，關系到整個無線傳感網絡和用戶之間的數據傳輸，若網關節點不工作，整個網絡的數據傳輸就會中斷。本文采用CC2530、GPRS和壓電電源設計一款網關節點，給出了硬件和軟件方面的具體設計，并針對壓電電源的發電能力進行測試，最后對整個節點的接收信號強度和丟包率進行測試，實驗證明該節點運行可靠，復雜環境下無需更換電池仍能正常工作，具有較好的應用前景。

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（編輯：莫婕）