低功耗的無線傳感器網絡節點分析

摘 要：針對目前機械振動無線傳感器網絡節點能耗高的問題，提出一種低功耗節點硬件結構設計方法。在保證機械振動信號采集性能的同時，極大的減小節點體積與功耗。希望可以通過網絡節點的低能耗設計，延長無線傳感器網絡的戶外作業使用壽命。

關鍵詞：低功耗；無限傳感器；網絡節點

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0293-01

引 言

現階段很多無線傳感器網絡的節點設計一直都在致力于對節點性能的提升上面，像是美國加州伯克利大學實驗設計的MicaDot2節點，雖然性能很好，但是傳感器網絡節點的能量消耗太大，使用壽命短，無法被應用在更大規模的野外作業中，這也是本文研究的現實意義所在，希望可以設計出低能耗的網絡節點。

1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（Wireless Sensors Network，WSN）是在監測區域內部署大量傳感器節點，以無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網絡系統，以協同感知、采集和處理監測區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡能大大提高人類對物理環境的遠端監視和控制能力，實現信息世界、物理現實與人類社會的互通，因此在實際中有著廣泛的應用。

無線傳感器網絡往往需要大規模地部署于人跡罕至的區域、災害現場等，因此在可靠性、安全性等方面都面臨極大挑戰。能量效率、定位技術、時間同步、數據融合和安全技術是無線傳感器網絡設計需要考慮的關鍵技術。因此如何有效地利用有限的能量資源，減少傳感器節點的能量消耗，直接影響著無線傳感器網絡的生存時間，是進行無線傳感器網絡設計時需要優先考慮的重要約束。

2 硬件設計

2.1 節點模塊設計

在無線傳感器網絡節點設計中，除了關鍵的處理器模塊以及射頻模塊設計，還有關于存儲器的設計，要對這些網絡節點展開外擴存儲器的設計。對于外擴存儲器的選擇，可以使用W25X16系列STM32單片機SPI通信程序作為Flash存儲器，在這個FLash存儲器中，存儲芯片會有8192個的可編程控制頁，每頁只有256個字節，所以該存儲器具有引腳少、體積輕巧、功能消耗低的優勢特點。網絡節點在與計算機PC終端端口展開通信連接時，可以采用USB連接的方式進行連接，進而完成串口通信，使用CP2012 USB驅動控制器，將USB端口虛擬成為Com口，從而實現端口拓展，而且外圍電路穩定、簡單，在沒有額外電源的作業情況下，可以使用USB端口對網絡節點進行充電。

2.2 傳感器與信號調理電路

位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器雖然都能采集振動信號，但是它們的側重點各有不同。位移傳感器適用于測量低頻、低振幅的振動信號；速度傳感器對高頻信號靈敏度較低，因此僅適用于低中頻振動測量；加速度傳感器適用于低頻到高頻的大多數振動監測應用。因此，在機械振動監測應用中多采用加速度傳感器采集頻率較高的機械振動信號。電荷輸出型和電壓輸出型兩種加速度傳感器以其較好的精度、寬的頻率范圍廣泛用于傳統機械振動監測中。但是它們的輸出信號較為微弱，需要后續的調理電路對其進行放大。這些調理電路需要正負電源對其進行供電，這導致其功耗與體積往往較大。因此，在能量受限的無線傳感器節點使用傳統加速度傳感器是不經濟的。

隨著半導體技術和微機電系統的迅猛發展，MEMS加速度傳感器應運而生。除價格低廉、體積微小之外，以下特點也使得其更加適用于電池供電的無線傳感器節點之中：①自身功耗極低；②可僅使用2.7～5V的單電源供電，簡化外圍電路；③輸出信號僅需經過簡單的調理電路即可進行濾波等后續處理。

2.3 處理器模塊

對于無線傳感器網絡節點處理器模塊，可以說是整個節點設計的核心關鍵部分，需要處理器能夠完成對數據的處理，還能夠進行能耗管理以及通信協議管理，最好是還支持睡眠模式?，F階段ATMEL公司在增強型內置AVR單片機系列產品上開發的都比較不錯。根據無線傳感器網絡節點的低功耗設計需求，我們可以選擇T1公司所生產的16位低功耗單片機，這種單片機的能耗可以實現μA級別，而且Msp430F149單片機可以擁有非常豐富的外設功能與低功耗特性，它的工作電壓最低為1.8V，最高可以達到3.6V，能夠支持32.768kHz的時鐘變換，該類型的單片機系統具有一種工作模式以及五種低消耗模式，在實際工作中可以根據實際需求完成切換。

2.4 PIR運動檢測模塊

PIR運動傳感器包換兩個或多個元件，這些元件輸出的電壓與入射紅外輻射量成正比。溫度不同于環境溫度的人體平行于傳感器表面運動并穿過兩個傳感器元件的視野時產生的輸出電壓信號。輸出電壓信號的幅值與運動速度以及相對于傳感器的距離成正比，電壓峰峰值在幾百微伏到幾毫伏之間。由于傳感器元件的物理尺寸小，感測空間較小，通常需要將菲涅爾透鏡置于PIR傳感器的前端，通過將紅外能量放大并集中到小型傳感器元件上來拓展感測范圍。菲涅爾透鏡的形狀和尺寸決定最大檢測角和觀察區域，根據應用所需的視野角度和檢測范圍決定選擇哪種透鏡。

3 節點軟件設計

一個好的嵌入式無線傳感器網絡節點控制系統，還需要擁有一套相應的軟件來使得網絡節點的性能達到最佳，而且軟件的設計還要有無線網絡通信能力，可以實現對傳感器節點資源以及網絡協議棧的正確控制，從而保證網絡節點的正常工作，這樣可以放緩節點能量的消耗速度，在Tiny OS系統中，可以進行Nes C語言開發，再由專門的編譯器，展開對網絡節點的資源管理以及任務的調度。通過網絡協議棧的建立，能夠把所有孤立起來的網絡節點形成一個系統，6LoWPAN協議能夠允許無線路由進入休眠狀態并且實現電池供電，不單可以讓網絡節點進行互相組網，還能夠讓6LoWPAN直接接入到互聯網當中。

4 結 語

無線傳感器網絡與傳統網絡在節點和網絡拓撲上都存在著很大的不同，雖然在無線傳感器網絡設計時需要考慮定位、同步、數據融合和安全防護等關鍵技術，但由于無線傳感器節點自身能量有限且無法得到有效補充，因此能量有效性是無線傳感器節點和網絡拓撲設計時需要首先考慮的因素。本文對低功耗的無線傳感器網絡節點進行分析，希望能夠有效的延長無線傳感器網絡的戶外作業使用壽命。

參考文獻

[1]張建軍，陳 曉，趙 意.一種無線傳感器節點動態采樣策略[J].電子測量與儀器學報，2016（02）：15.

[2]林曉鵬.無線傳感器網絡及關鍵技術綜述[J].智能計算機與應用，2015，5（1）：81～83.

收稿日期：2018-3-25