限定空间无线传感器节点电路低功耗的优化*

吕 涛，马福昌，李卉苹

(太原理工大学 测控技术研究所，山西 太原030024)

无线传感器即不需要各种数据引线来连接的传感器。它是通过具有相同网络协议的传感器，采用不同节点互相覆盖重叠，利用WIFI和3G等技术，将所需信息传递到相应基站，再在基站中通过图像算法处理，把信息以文字、表格或图形等方式反映在后方操控台上。无线传感器网络由大量微型无线传感器节点组成，实现所在区域信息的采集、传输和定位。而节点通过蓄电池供电，但在使用过程中很难为电池充电或者更换电池，必须等到一年一次的检修期。一旦电池没电，此处信息便无法传递，可能造成重大损失[1]。限定空间中无线传感器网通常随机分布在没有基础设施的各个区域，这种无基础设施的特性将会使其大量应用于人为操作困难的场合，如高空或海底作业、环境监测、精准农业、军事侦察、安全反恐和地质勘测等。因此，鉴于传感器成本和硬件条件的问题，本文研究了降低无线传感器节点功率损耗的优化设计[2]。

早些年，国外就有了对无线传感器网络中节点功耗的研究，并提出了一些理论。2006年美国提出了Tmote Sky（智能尘埃）的功耗与其生命周期的理论模型；2008年巴博尼和瓦莱提出并详细分析了MicaZ电流耗能在节点部分和充电电池的运行状态[3]；2008年下半年，阿加瓦尔提出了一种模块化电源估计技术来分析功耗的情况[4]；2010年，戈麦斯和坎贝尔分析了在无线网络节点的多跳中传输功率控制优化，并指出：进行每个节点环节的功率控制优化要比进行整体优化节能很多[5]；2011年，艾马瑞和戴斯分析了在无线传感器网络中如何降低集成电路能量消耗[6]。

1 低功耗电路系统原理及其分析

1.1 传统的单个节点功耗计算及说明

传统的功耗测量方法如图1所示。已知采样电阻的阻值为R，电源电压为V电源，采样电阻两端的总电压可通过数字示波器显示为V采样。设电路总电流为I，待测节点的功率为P，则：

根据式(1)，可取不同阻值的采样电阻，绘出待测节点功率P分别与R和V采样的关系图，如图 2、图 3所示。

由式(1)可以发现，为实现低功耗运行，可以适当地提高采样电阻的电压或者是提高采样电阻的阻值，而这种方法也存在着不足之处[7]。首先，观测采样电阻两端的电压时必须使用人工观测数字示波器。由于人眼的不准确性和非连续性，观测到的采样电压难免会有偏差；其次，随着采样电阻的增大，其两端的压降也逐渐增大，可能会影响无线传感器节点的正常运行。因此，此方法为基本实验方法，只适用于一些小型电路实验以及对精度要求不高的测量和应用场合。

1.2 低功耗电路的选取

1.2.1 变压器耦合推挽功放电路

变压器耦合推挽功率放大电路如图4所示，其主要优点是：当输入电压为零时，2个三极管均不导电，静态功耗等于零；加上正弦输入电压后，VT1和VT2轮流导电，三极管本身的平均功耗相对较小，因此效率比较高。但是，由于变压器体积庞大，比较笨重，消耗较多有色金属，而且，变压器耦合无法实现集成化。

1.2.2 恒流源差分电路

恒流源差分电路如图5所示。在电源电压不高的情况下，该电路既为差分放大电路设置了合适的静态工作点电流，又大大增强了共模负反馈作用，有效地降低了电路中各个器件的功率损耗。

由图 5可以看出，Q1、Q2、Q3组成恒流源负载的长尾式差分放大电路，此电路静态工作点估算如下：

设电源电压为VCC=39 V，输入级的发射极电流为Ie=0.9 mA，则由差分放大电路可知R6上电流为2Ie，即R6上电流I=2×0.9=1.8 mA。已知ICQ=0.9 mA，所以，Q1、Q2的集电极电位UCQ=2.2×0.9=1.98 V。

由于Q1、Q2、Q3 3个三极管的型号完全相同，因此它们的有关参数均相同。设Q3的集电极电流为ICQ、基极电压为UBQ、集电极与发射极间电压为UCEQ，则有：

由式(2)可知，Q1、Q2的集电极电流为 0.9 mA，集电极电压为1.98 V。通过以上对比，决定采用恒流源差分放大电路，既能大大地稳定静态工作点，又能降低功耗，达到节能减耗的特点。

1.3 经过改进的无线传感器节点

改进后的整体设计图如图6所示。

图6 改进后的整体流程图

2 改进的低功耗电路仿真及数据说明

2.1 反馈电路

为降低功率损耗、消除非线性失真、抑制零点漂移，在输出端与输入级之间加入负反馈。

图7为未加入反馈回路时各个参数随时间变化的曲线，图8、图9分别为加入负反馈后取不同的电阻测试此电路系统的各个参数。由此可见，加入负反馈后，进入稳定状态相对较快；同时，R取值适当时，可保证系统低功耗运行。设U为所加电压，P为消耗功率，由实验参数及计算得到的功率如表1所示。

由表1和表2可知，加入负反馈后，降低了无线传感器节点电路的功率消耗。如果加入合适的电阻R，则能够保证此系统稳定地低功耗运行。

2.2 功率补偿

除了加入适当反馈来降低损耗，还需要加入功率补偿电路，让无线传感器节点正常运行，降低功率消耗。

表1 R=1 Ω时的功率表

3 软件设计流程

如图10所示流程，软件部分主要是将采集回来的数据通过WIFI传输[8]，然后采用上位机接收数据并进行数据处理，最后在上位机实时显示，同时发送相关数据到更高一层的指挥中心。

本文研究了加入反馈后对无线传感器节点电路功耗的影响，通过MATLAB仿真和测定数据推导可知，加入适当的反馈可以降低无线传感器节点电路的功耗。在未来的工作中，将进一步研究节点的覆盖度与功耗的相关情况，同时分析无线传感器外围设备造成的功耗。此外，以不同的硬件对比实验，能为传感器节点低功耗运行提供更加详尽的数据支持。

表2 R=10 Ω时的功率表

图10 系统低功耗传输流程图

[1]余永辉，涂巧玲，彭宇兴，等.基于 CC2420的无线传感器网络节点低功耗研究[J].电视技术，2009，33(5)：73-75.

[2]程元，鄢楚平，雷昕，等.基于低能耗的无线传感器节点硬件设计方法研究[J].计算机工程与设计，2008，29(24)：6221-6223.

[3]Zhang Fan，Li Wenfeng，Song Wei.Real-time energy consumption monitoring for wireless sensor nodes[J].Computer Engineering&Science，2010，32(11)：47-51.

[4]CHIASSERINI C F，RAO R R.Improving energy saving in wireless systems by using dynamic powermanagement[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2003，2(5)：1090-1110.

[5]Sausen Paulo Sergio，Spohn Marco Aurelio，Perkusich Angelo.Broadcast routing in wireless sensor networks with dynamic power management and multi-coverage backbones[J].Information Siences，2010，180(5)：653-663.

[6]RABAEY J M，CHANDRAKASAN A，NIKOLIC B.Digital integrated circuits：a design perspective[M].2nd Edition.New Jersey：Pearson Hall，2003：1-219.

[7]张大踪，杨涛，魏东梅.一种低功耗无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器，2006(10)：54-57.

[8]郑靖华，郑朝霞.无线传感器网络节点芯片的软/硬件协同低功耗设计技术[J].计算机与数字工程，2008，36(12)：165-168.