一种低功耗无线传感网络节点的设计

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摘要：无线传感器网络是物联网的传感层。在无线传感器网络的设计与实现中，低功耗成为系统应用的重要制约，因此设计低功耗节点是当前研究难题之一。在自主研发的基于无线传感网络的智能交通系统中，研究电源功耗问题，设计并制作完成了低功耗无线传感网络节点。

关键词：无线传感器网络；低功耗管理；传感节点

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0719-02

1 物联网概念

物联网（The Internet of things）概念是由麻省理工学院Auto-ID研究中心（Auto-ID Labs）提出的，是指把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2005年国际电信联盟（ITU）了一份题为《The Internet of things》的年度报告，对物联网概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间互联的发展远景，RFID技术、传感器技术、纳米技术、智能终端（smart things）等技术将得到更加广泛的应用[1]。自此物联网引起全球广泛关注，并成为国家层级的发展战略。

近几年来物联网的应用已经开始推广并实现产业化，覆盖范围包括智能工业、智能电力、智能安保、智能家居、智能运输、智能医疗等[2]。美国思科公司开发的“智能互联建筑”方案，为美国硅谷网域存储技术有限公司节约了15%的能源消耗；IBM提出的“智慧地球”概念，并已推出了多项物联网解决方案，涵盖多个领域[1]。随着物联网技术在全球范围推广，新的应用场合的出现越来越多，形成对物联网新的要求，其中低功耗问题逐渐成为凸显问题之一。无线传感器网络属于物联网的传感层，是物联网系统的硬件支撑。研究表明，低功耗管理系统在整个无线传感器网络中具有特殊性，还需要结合芯片特点和功能要求及成本进行进一步研究。

2 无线传感网络的设计

构建典型的无线传感器网络，必须考虑四个方面的因素：网络选择，拓扑结构，功耗以及兼容性[3]。在实际应用中，由于传感器节点需要采用电池供电，因此，对于无线传感网络来说，低功耗是无线传感网络应用的重要制约之一[4-5]。设计低功耗传感器节点，成为当今物联网研究难题之一。现有的研究主要集中在能量消耗的低功耗模块设计，并在电源管理系统的优化设计。

无线传感器网络由独立分布的大量节点和与计算机连接的网关构成，独立节点之间采用无线方式进行通信组成网络。作为一种针对应用而开发的技术，在项目无线传感器网络的设计中必须考虑实用性。安放在不同监测点的传感器节点实时采集外界信息，如温度、声音、震动等。无线传感器网络的每个节点都具备数据采集及数据传输功能，还能中继传送其它节点发出的数据，并最终通过网络传递将数据发送到数据中心。用户从网关获取数据进行分析或查看历史数据记录。

本设计为自主研发的智能公交系统，以RFID通信新技术为基础，以嵌入式系统作为平台，以无线网络为依托，数据库支撑后台管理。智能公交车载模型中，以ATmega328为核心，产生高低电平信号通过一个L298N驱动两个减速电机运转促使小车运动。通过寻迹模块里的红外对管是否寻到黑线产生的电平信号经过LM339比较后返回到单片机，单片机根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块，让小车来实现前进、左转、右转、停车等基本功能。公交车信息显示包括哪路公交，终点站以哪个站点为环行线、当地时间等。实物如图2所示。

3 传感器节点设计

系统的传感节点在部署时就拥有明确的地理位置信息，并且装备传感器收集相应参数。节点包括由低功耗的处理单元、低功耗WPAN基带单元和模拟传感器信号处理单元组成。通过WPAN基带单元可以无线传送数据到基站/网关，通过模拟信号处理单元可以对系统加载的各种传感器及GPS定位设备的相关数据进行算法处理。在一般情况下，节点处于休眠状态，功耗极低。当外界环境参数变化，电路自动唤醒，节点采集环境数据及相关参数，并无线传送回中心，若遇到超限信号，节点将进行模糊判断，在确认之后发射报警信号。

传感器节点设计无法绕开能耗问题。根据系统需求来设置每个模块的动态变化，以减小功耗。前端中的电源稳压电路及限流保护电路始终处于工作状态，而对于基带控制器的设计，采取时钟唤醒模式，控制各子模块的工作状态，合理安排工作休眠时间和有效传输数据模式以减少节点的能耗，这在系统设计过程中做重点考虑。为了实现传感节点的低功耗及更优的测量性能，选择合适的工作模式，通过无线配置传感节点的工作参数，使节点按照应用需要控制采集的节奏和信息数据传输，从而降低能耗，延长节点工作服务时间。

对于无线传感网络系统，在有供能充足的情况下，所有节点的监测模块和数传模块都处于工作或等待状态，这样可以简化系统结构以及实现即时响应功能。如果要减小系统整体功耗，则设计将部分节点工作状态调整为间歇工作方式。而将某些模块暂时关闭通过侦听唤醒的模式可进一步降低功耗。但是，过于精确的控制会增加系统的复杂性，甚至可能出现节点脱离系统的意外情况。所以在设计中应在确保系统安全的前提下进行功耗优化，并控制系统设计的复杂程度。

传感器节点设计中低功耗电源是重点之一。根据工作需要，系统电路一般都会提供几个不同的电压且均有其特定用途。低功耗电源管理在多个电压之间实现合理调度，应能为无线传感器网络节点提供充足的能源供给，即使条件限制维护周期较长也能实现节点正常工作。智能交通系统的车载节点电源采用ASM117芯片进行电压转换，设计为ATmega328P的单片机核心板、RFID集成板、LCD1602、nokia5110提供3.3V电源供电。通常为了稳定电源信号，在电源正负极之间加上电容。电路如图3所示。

根据系统需求来设置每个模块的动态变化，以减小功耗。前端中的电源稳压电路及限流保护电路始终处于工作状态，而对于基带控制器的设计，采取侦听唤醒模式，控制各子模块的工作状态，合理安排节点的休眠时间和高效数传据模式将减少整体能耗。为了实现传感节点的低功耗与保持优良测量性能的平衡，设计选择工作模式，通过无线配置传感节点的工作参数，使节点根据现场条件来控制采集节奏和数据传输，从而降低系统能耗，延长工作服务时间。

4 结论

设计无线传感器网络系统时，低功耗是必须要考虑的重要因素之一。在自主研发的智能交通系统中，研究了如何实现电源功耗优化，设计并制作完成了低功耗无线传感网络节点。

参考文献：

[1] 杜渐.国外物联网发展综述[EB/OL].http：//.

[2] 马建.物联网技术概论[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 方慧敏.无线传感器网络的数据采集技术应用探讨[EB/OL].

[4] 徐喆，张军虎.物联网中的无线传感网技术及其应用技术瓶颈分析[J].物联网技术，2011（10）：79-81.

[5] 张小慧，高浩，王海.无线传感网节点的低功耗设计[J].物联网技术，2011（12）：82-84.

[6] 戴由旺，李增有，韦俞锋.基于ZigBee 的低功耗无线传感节点设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（18）：121-126.

[7] 刘尧.无源RFID标签芯片的低功耗电源管理系统[D].武汉：华中科技大学，2011.