??? 摘 要： 基于低功耗nRF24L01無線收發(fā)器和MSP430F449單片機(jī)，采用短時突發(fā)式無線發(fā)射技術(shù)和低功耗休眠機(jī)制，設(shè)計一種超低功耗的傳感器節(jié)點。測量結(jié)果表明，在電源電壓為3.3V、平均數(shù)據(jù)率為1kb/s、發(fā)送功率為0dBmW、傳輸距離為10m、誤幀率為0.12%時，本系統(tǒng)平均功耗約42μW，可以應(yīng)用于光照、振動、熱和氣流等環(huán)境能量供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
??? 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗；nRF24L01；MSP430F449
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??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息技術(shù)領(lǐng)域的一項新技術(shù)，在軍事監(jiān)控、地震與氣候預(yù)測、數(shù)字農(nóng)業(yè)、醫(yī)療監(jiān)控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。其中加州大學(xué)伯克利分校研制的MOTE[2]傳感器節(jié)點，如MICA2、MICAZ、TELOS等，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的典型結(jié)構(gòu)。無線傳感節(jié)點一般采用電池供電，對于節(jié)點數(shù)目龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，電池更換非常困難，所以降低節(jié)點功耗可以延長節(jié)點的壽命。
??? 在保證整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點性能的前提下，設(shè)計一種超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，采用超低功耗短時突發(fā)式無線發(fā)射技術(shù)、低功耗休眠機(jī)制等，使節(jié)點功耗最小，一方面可以延長電池的使用壽命，另一方面還可以采用光照、振動、熱和氣流等環(huán)境能量供電。
1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)
??? 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，一般由數(shù)據(jù)采集（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、數(shù)據(jù)處理（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括處理器、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、數(shù)據(jù)傳輸（由無線通信模塊組成）和電源四部分組成。本系統(tǒng)中，信息處理和控制單元采用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的超低功耗微控制器MSP430F449；數(shù)據(jù)傳輸模塊采用超低功耗的nRF24L01射頻收發(fā)模塊；數(shù)據(jù)采集模塊采用低功耗數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11，可根據(jù)被監(jiān)測的物理信號要求選擇其他類型的低功耗傳感器。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗設(shè)計
2.1 微處理器模塊
??? 基于CMOS工藝的微處理器的功耗基本滿足：
??? P=CV2f????????????????????????????????????????????? (1)
其中，C為系統(tǒng)的負(fù)載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)的工作頻率。系統(tǒng)的負(fù)載電容一般是不變的，所以在不影響系統(tǒng)工作性能的情況下，選用較低的工作電壓和工作頻率可以有效降低系統(tǒng)的功耗。
??? 本設(shè)計選用了TI公司推出的一款16位超低功耗單片機(jī)MSP430F449[3]，其工作電壓范圍為1.8V～3.6V，并且采用三套獨(dú)立的時鐘源，包括高速的主時鐘、低頻時鐘（如32.768kHz）以及DCO片內(nèi)時鐘，可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時鐘頻率，以降低功耗。
??? 如圖1所示，MSP430F449具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LPM4，為其功耗管理提供了極好的性能保證[4]。系統(tǒng)復(fù)位時，MSP430F449先進(jìn)入AM（Active Mode）模式，然后可經(jīng)AM模式轉(zhuǎn)入任何一種低功耗模式，并通過中斷方式使CPU退出低功耗模式，返回AM模式。MSP430F449可以在整個過程中長時間保持睡眠狀態(tài)，只有產(chǎn)生中斷時才激活，中斷響應(yīng)時間不超過6μs，可以在突發(fā)模式下快速處理中斷事件。
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??? 除MSP430F449本身的功耗外，所有從電源到地的回路都會有功率損耗。MSP430F449必需的外圍電路包括復(fù)位電路、JTAG仿真口、電源濾波電路以及無源晶振，其中復(fù)位電路直接與電源連接，會有幾微瓦的功耗。因MSP430F449內(nèi)部采用CMOS電路，I/O口懸空可能產(chǎn)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，造成功率損耗，所以最好把閑置的I/O口上拉到電源。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊
??? 數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。無線通信消耗的能量占了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的絕大部分，因此對這一模塊的選取和設(shè)計事關(guān)低功耗設(shè)計的全局。除了考慮功耗因素外，還應(yīng)兼顧數(shù)據(jù)傳輸模塊的靈敏度、誤幀率以及傳輸距離等綜合性能。
??? 本設(shè)計選用NORDIC公司近期推出的融合了高速、低功耗、低成本的2Mb/s工業(yè)級嵌入式2.4GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01[5]，它具有增強(qiáng)型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層，這通常需要一個高速的MCU和較大的RAM。
??? nRF24L01有五種工作模式：RX、TX、StandbyⅡ、StandbyⅠ、PowerDown模式，在3V電壓下五種工作模式的工作電流情況如表1所示。其中PowerDown模式的工作電流最小，僅900nA，因此應(yīng)盡量在PowerDown模式下工作，當(dāng)需要傳輸數(shù)據(jù)時才轉(zhuǎn)入TX或RX模式。在各種模式間轉(zhuǎn)換過程也會產(chǎn)生功耗，模式間切換的延時主要由晶振起振的穩(wěn)定時間決定，選擇起振快、負(fù)載電容小的晶振可以減小延時。nRF24L01與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，也是需要考慮的。數(shù)據(jù)傳輸率低會使數(shù)據(jù)傳輸模塊功耗升高，nRF24L0內(nèi)置高速的SPI口（速率高達(dá)8Mb/s），很好地解決了nRF24L01與MCU數(shù)據(jù)傳輸率問題。
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?? ?nRF24L01的控制流程如圖2所示。采用低功耗的工作模式完成nRF24L01所必需的工作步驟，去掉不必要的輔助功能，例如自動應(yīng)答和自動重發(fā)等。nRF24L01具有自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能，使數(shù)據(jù)傳輸模塊的功耗大大增加，采用W_TX_PAYLOAD_NOACK指令使發(fā)送的數(shù)據(jù)包不帶應(yīng)答信息，去除了自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能。
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??? nRF24L01采用鞭形PCB天線，天線的頻率和阻抗必須與射頻芯片匹配，以獲取最大的傳輸功率，減少無效的功率損耗。通常情況下，天線阻抗與射頻芯片不匹配，因此在nRF24L01的外圍電路接入了的L1、L2、L3、C7和C10等電容和電感，作為匹配網(wǎng)絡(luò)，并抑制高頻噪聲，如圖3所示。
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2.3 傳感器模塊
??? 采用低功耗的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11，完成傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集工作，在測量和傳輸完成后，SHT11自動轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下次命令的開始，這樣可以降低傳感器模塊的功耗。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一種高度集成的溫濕度傳感器，將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成在一塊芯片上，具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證互換性；電流極低，休眠時為3μA，平均為28μA。
2.4 軟件設(shè)計
??? 本設(shè)計采用低功耗的軟件設(shè)計方法：優(yōu)化系統(tǒng)時鐘、優(yōu)化工作時序和精簡冗余指令等，實現(xiàn)了節(jié)點的低功耗。優(yōu)化系統(tǒng)時鐘，采用輔助時鐘ACLK(32768Hz)作為MCU休眠（LPM3模式）的時鐘源，將ACLK倍頻至1MHz作為MCU喚醒后的系統(tǒng)時鐘；優(yōu)化工作時序，nRF24L01的TX/RX模式的功耗遠(yuǎn)大于MSP430F449的AM模式，基于nRF24L01掉電讀寫控制寄存器的功能，采用nRF24L01先睡眠后喚醒的工作時序，可以使節(jié)點的功耗進(jìn)一步降低；精簡冗余指令，簡化中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序僅完成MSP430F449退出睡眠的任務(wù)。
??? 傳感器節(jié)點的主程序流程圖如圖4所示。首先，初始化MSP430F449的時鐘、定時器和SPI口等，采用定時中斷方法實現(xiàn)節(jié)點按一定的周期完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，在休眠狀態(tài)下實現(xiàn)定時器定時Ts=0.2s；在nRF24L01的 PowerDown模式下，初始化速率、發(fā)射功率、頻段、地址和校驗等配置，完成后MCU打開全局中斷；MCU通過SPI口把有效數(shù)據(jù)(設(shè)為16B)寫入nRF24L01的TX_FIFO緩存。MCU的SPI速率由于受到系統(tǒng)時鐘頻率的限制僅為500kb/s，裝載數(shù)據(jù)的通信時延TUL=(16B×8)/500kb/s=0.256ms；PWR_UP＝1，且MCU控制引腳CE置高大于10μs后，經(jīng)130μs的晶振穩(wěn)定時間，nRF24L01進(jìn)入TX模式開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀(幀格式如圖5所示)；控制位TX_DS置位，引腳IRQ產(chǎn)生中斷信號，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送，此時應(yīng)立即使nRF24L01進(jìn)入PowerDown，以節(jié)省能量。
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??? 傳感器節(jié)點工作時序如圖6所示。其中TAIFG為定時中斷寄存器，Ts為定時時間，TUL為nRF24L01裝載數(shù)據(jù)的時間，TOA為數(shù)據(jù)幀在空中的傳輸時間，TIRQ為nRF24L01的中斷響應(yīng)時間。
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3 性能測試
3.1 節(jié)點功耗測試
?? ?節(jié)點的總功耗可根據(jù)總電流乘以電源電壓計算，總電流又可通過串入采樣電阻實現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換來測量。電阻大小的選取原則為：引入的壓降可忽略，產(chǎn)生的電壓易于測量。本設(shè)計中采樣電阻取精度為1‰、阻值為1Ω的電阻。
??? 節(jié)點工作電壓為3.3V、工作周期為0.2s、數(shù)據(jù)幀長度為25B、發(fā)送速率為2Mb/s、發(fā)射功率為0dBm的情況下，采用泰克公司的TDS1012B數(shù)字存儲示波器測得的采樣電阻的電壓波形如圖7所示，此時節(jié)點的平均數(shù)據(jù)率為1kb/s。
??? 圖7（a）為傳感器節(jié)點連續(xù)工作的脈沖波形，脈沖的幅值約為12mV（即工作電流為12mA），與手冊上公布的節(jié)點工作在TX模式下的電流11.3mA基本吻合。
??? 圖7（b）為單個脈沖放大的電壓波形。第一階段，節(jié)點被喚醒，MCU晶振開始起振到完成數(shù)據(jù)幀組裝約300μs，工作電流約為1mA；第二階段節(jié)點進(jìn)入TX模式準(zhǔn)備發(fā)送約130μs，為射頻晶振的穩(wěn)定時間，這個階段的平均工作電流約為8mA；第三階段，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)約100μs，此時，工作電流約為12mA；最后節(jié)點進(jìn)入睡眠。
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??? 由圖7所測試的實際波形，可以計算得出節(jié)點的平均功耗約為：
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3.2 誤幀率測試
??? 誤幀率是衡量通信線路指標(biāo)的常用參數(shù)，是表征接收質(zhì)量的重要參數(shù)。誤幀率的測試是將發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)源不斷地發(fā)送到接收端，接收端同步接收該數(shù)據(jù)流后再檢查收到的數(shù)據(jù)流中是否有傳錯的數(shù)據(jù)。測試誤幀率的方法：發(fā)送端每200ms發(fā)出一個數(shù)據(jù)包(約25B)，接收端用一個“誤幀計數(shù)器”來統(tǒng)計發(fā)錯或丟失的數(shù)據(jù)幀數(shù)目。
??? 在室內(nèi)環(huán)境中，當(dāng)發(fā)送速率為2Mb/s、輸出功率為0dB、數(shù)據(jù)幀長度為25B時，本設(shè)計節(jié)點誤幀率測試結(jié)果如表2所示。
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??? 本系統(tǒng)的綜合性能如表3所示。采用低功耗電路設(shè)計方法、低功耗器件選取方法和低功耗休眠機(jī)制，實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的低功耗設(shè)計。對于使用電池供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以延長其使用壽命；對于光照、振動、熱和氣流等環(huán)境能量供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)其自供電也具有重要意義[5]。
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參考文獻(xiàn)
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