LR-WPAN低功耗节点设计与实现

王俊杰，王冠凌，杨 骏，孙少伟

(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置省级实验室，安徽芜湖241000)

LR-WPAN作为一种经济、高效、低速率的新兴无线通信网络技术，可以随时随地实现无线网络的无缝连接，已被广泛地应用于家庭自动化、工业监控、医疗监护、安全与风险控制等领域。在这类应用中不仅对传输速率要求更低，更重要的是要求功耗低［1］。而在不影响网络节点功能的前提下，设计一种低功耗的LR-WPAN节点，尽可能地降低网络节点功耗，是目前国内外研究机构普遍关注的焦点。然而，目前对于LR-WPAN及其载体ZigBee网络节点的低功耗设计还存在一些不足，如文献［2］仅侧重于ZigBee网络的具体应用设计，并没有将节点的低功耗设计考虑在内;文献［3］在节点的协议设计上过于复杂，在实际应用中不易实施;文献［4］没有对节点的低功耗工作模式和唤醒机制进行说明，仍有进一步的提升空间。

本文针对上述设计中的一些不足，在综合分析节点各模块性能和能耗的基础上，根据实际需要，分别从硬件和软件2个方面入手进行低功耗节点的设计。在硬件低功耗设计中选择集成度高、业界功耗最低、具有多种工作模式的MSP430F2410作为控制芯片，以功能强大、外围电路简单、具有多种低功耗工作模式的CC2533作为无线通信芯片，同时选择低功耗的SHT21作为传感器芯片，并通过设计DC/DC电源管理电路来充分利用电池能量。在软件低功耗设计中，结合实际需要和DPM策略配置多种工作模式，合理安排工作与休眠时间以完成工作模式的切换，有效降低节点的能量消耗，从而实现了一种LR-WPAN低功耗节点的设计，使节点使用寿命更长、性能更加优越。

1 节点能耗分析

典型的LR-WPAN节点主要包括CPU模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块。除电源模块外，其余各模块均是耗能模块。各模块的能耗情况如图1所示［5］。可见无线通信模块是节点的主要能耗模块，而空闲状态下节点的能耗占相当一部分比例。根据网络节点的特性，节点在大多情况下都处于空闲状态，故可将此状态下的部分模块关闭，仅在适当的情况下将其唤醒，以达到降低能耗的目的。因此，节点硬件低功耗设计中首先需要考虑的是各模块尽量选择低功耗的芯片，而且要具备多种工作模式，切换方便。节点软件低功耗设计应考虑采用低功耗工作模式和合理的工作模式切换方法来降低节点的功耗。

图1 节点各模块能耗

2 硬件设计

图2为低功耗节点硬件电路设计框图。CPU模块 MSP430F2410通过 SPI接口与无线模块CC2533相连，通过普通I/O口与传感器SHT21相连，同时外扩I/O口，构建CPU编程和串口通信等电路。辅助电路包括时钟、晶振、按键、显示等电路。为实现低功耗的设计需要，在晶振接口分别配置高速和低速2个晶振，由8 MHz高速晶振产生频率较高的主时钟MCLK，由32 kHz低速晶振产生频率较低的辅助时钟ACLK，分别满足CPU高速运算和实时时钟运行的需要。

图2 低功耗节点硬件电路设计框图

节点中CPU采用的是TI公司的混合信号处理器MSP430F2410。该处理器内部资源丰富，具有2个16位定时器、1个12位A/D转换、6组I/O口、2路UART等，突出特点是功耗超低，在2.2 V电源电压、1 MHz工作频率下的工作模式电流仅有 0.27 mA，待机模式电流为 0.3 μA，关闭模式电流更是低至0.1 μA，I/O输入端口的漏电流最大为50 nA，远低于其他系列单片机。而1.8～3.6 V的宽工作电压输入使其更适用于节能系统应用。此外，430F2410的工作模式以先进的方式支持低功耗设计的各种要求。共有7种低功耗工作模式，其中低功耗休眠模式有5种，可以根据应用进行设置调整，最大限度降低功耗，且可在不到1 μs的时间超快速地从待机模式被唤醒。

由图1可知，无线通信模块是节点中能量消耗最大的，作为节点低功耗设计的重要组成部分，采用的是TI公司的2.4GHz频段符合IEEE802.15.4协议的新一代ZigBee芯片CC2533。该芯片基于RF4CE技术，片内资源丰富，具有很好的集成度，外围器件少，电路简单，仅需时钟晶振电路、射频输入输出匹配电路和CPU接口电路即可完成模块的设计。同时，CC2533功耗极低，且性能稳定，在2.0～3.6 V 工作电压下支持接收、发送、空闲等多种低功耗的工作模式，且转换时间极短，接收模式的电流损耗为25 mA，发射模式的电流损耗为28.5 mA，其选择性和敏感性指数均超过了IEEE802.15.4标准的要求，保证了短距离通信的可靠性和有效性。

节点中传感器模块采用的是Sensirion公司的低功耗数字式温湿度传感器SHT21。SHT21是一种含有已校准数字信号输出的传感器，由于尖端采用节能运行模式，因此具有极高的性价比，只需2根I/O口线即可完成与CPU的信息传递，支持休眠和测量2种工作模式，工作在小电流状态。在3.0 V的供电电压下，休眠模式工作电流为0.15 μA，功耗为 0.5 μW;测量模式工作电流为0.3 mA，功耗为0.9 mW。

节点大都工作在无人值守的地方，通常选择电池作为供电电源。而在节点的低功耗设计中，可将电源模块中的电池视为一个理想的状态。本设计选择电源管理电路来降低节点功耗。根据节点不同模块工作电源的特性，采用不同的微功耗同步升压－降压DC/DC转换器完成电源模块的设计［6］。节点电源模块根据锂电池 2.7 ～4.2 V的宽电压输入，分别采用Linear公司的LTC3440和LTC3531进行至3.3 V工作电压的转换设计。LTC3440转换输出提供CPU模块、传感器模块和辅助模块的工作电源，LTC3531转换输出则只提供无线通信模块的工作电源，从而实现可关断节点中某些处于不工作状态下模块供电电源的目的，延长电池的工作时间和使用寿命。

3 软件设计

为了更好实现低功耗节点的设计，需要进行合理的低功耗节点软件设计。低功耗节点的软件设计主要包括节点入网、数据采集和无线传输，其中重点考虑的是节点的工作模式选择和切换。结合节点的硬件低功耗设计可知节点的工作模式，其中:CPU的7种低功耗工作模式可划分为运行、空闲和休眠3种;无线通信模块的5种低功耗工作模式分别为接收、发送、空闲、休眠和关闭;SHT21的2种低功耗工作模式分别为休眠和测量。由此，则可计算出节点的工作模式状态共有3×5×2=30种。从实用的角度上来说，不是所有的工作状态模式都有意义，并且不同模式之间的转换会消耗一定的能耗，同时有一定的时间延迟。如果工作模式转换的能耗比节约的能量还大，则没有必要进行这种模式转换。此外，由图1知无线通信模块中空闲状态和接收状态的功耗相差不大，结合实际和文献［7］的部分思想给出节点的几种典型工作状态模式，如表1所示。

表1 节点运行工作状态模式

根据表1所述的节点运行工作状态方式，可将节点归纳为主动和休眠2种模式，其中:S0、S1、S2归为主动模式，可通过配置相应的节点工作参数，使节点能够按照需要控制采集的速率和时间周期性地进行休眠，以达到降低功耗的目的;S3、S4为休眠模式，此时各模块均处于掉电或者休眠模式，仅进行周期性唤醒以切换工作模式。设计的节点工作流程如图3所示。

图3 节点工作流程

节点上电后，首先进行节点硬件初始化，包括CPU初始化和CC2533初始化。通过一系列的初始化程序，完成节点的参数、寄存器以及工作模式的配置。初始化之后，节点发出请求加入网络的信息。在接收到允许入网的信息后，节点加入网络。之后进入轮循工作模式，查询节点处于何种工作模式。若处于休眠模式，则按休眠模式继续执行程序;若处于主动模式，则按主动模式继续执行程序。当节点处于休眠模式中会首先启动定时器，定时时间到时产生中断，CPU接收到此事件的请求，退出休眠工作模式，开启CC2533的供电电源，进入主动工作模式。当节点处于主动模式下会首先判断是否需要向网络中其他节点发送数据。若需要则发送数据，并关断CC2533的供电电源，进入休眠工作模式;否则，判断数据采集定时时间是否已到。若定时时间到，则进行数据采集、处理与发送任务，并同样关断电源，进入休眠工作模式;若定时时间未到，则进行空闲侦听，侦听是否有需要接收的数据。若有则先接收数据，再关断电源，进入休眠工作模式;若没有则在侦听时间结束后关断电源，进入休眠模式.从而完成节点工作模式的选择与切换。节点周期性的休眠可降低节点的能耗。

4 节点性能测试

利用上述思想，设计了LR-WPAN低功耗节点，并对节点进行了性能测试，其中包括节点的功耗测试和通信测试。性能测试结果表明，设计的低功耗节点能很好地满足网络对能量和通信两方面的需要。

4.1 节点功耗测试

节点中CPU模块采用的是LPM3低功耗工作模式，无线通信模块采用的是LPM2低功耗工作模式。通过测试获得节点的功耗情况，并与国内典型节点［3］的比较，结果如表2所示。

表2 节点功耗比较

由表2可知，在主动模式和休眠模式下，Imote 2等节点的功耗均超过本文设计的节点，说明本文设计的节点具有更低的功耗。

4.2 通信测试

对2个节点的通信距离进行测试。在不同测试环境下，从一个节点连续单向发送一帧数据给另一个节点，发射功率不变，发送10000次，检测到的接收信号成功率如表3所示。

表3 节点通信距离测试时接收信号成功率 %

由表3可知，在20 m内，节点在室内、外环境下通信效果良好。而在200 m以内，无障碍室外通信效果比较乐观。但在室内环境下超过100 m通信效果不太理想，特别是有金属障碍物时，超过80 m则基本接收不到。其他节点以Imote 2为例，室外通信距离为75～100 m，室内通信距离为20～30 m，因此本文节点通信距离仍然优于Imote 2等节点。

5 结束语

本文介绍了一种LR-WPAN低功耗节点设计与实现过程。在对节点中各模块性能和功耗进行分析的基础上，选择基于MSP430F2410与CC2533的低功耗节点设计方案，使节点具有多种可选择的低功耗工作模式，同时在软件设计中结合实际需要详细阐述了节点典型低功耗工作模式的选择与实现过程。通过节点的实际性能测试表明，设计的节点具有良好的低功耗特性和通信性能，满足LR-WPAN网络低功耗、低成本、高稳定性的要求。按此方案设计的节点已在烟叶醇化温湿度监测系统中进行使用，目前使用效果良好。同时，此节点的设计方案有着良好的扩展性，便于移植和改进，可用于其他无线网络监测和控制领域中。将节点低功耗MAC和路由协议运用到节点设计中，并在此基础上实现结构更复杂、功耗更低、功能更完善的网络节点是下一步需要进行的工作。

［1］徐小涛，吴延林.无线个域网络技术及其应用［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［2］王钦.基于ZigBee技术的无线传感网络研究与实现［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2011，25(8):46－51.

［3］冯永平，张頔，罗嵘.一种低功耗传感器网络节点的设计［J］.电子技术应用，2009，26(4):34－40.

［4］彭宇，罗清华，潘大为.一种无线传感器网络低功耗节点的设计［J］.计算机测量与控制，2009，17(12):2571－2574.

［5］Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial Part IV:Sensor Network Protocols［Z］.Atlanta Georgia USA:Westin Peachtree Plaza，2002:23 －28.

［6］王冠凌，王俊杰.基于微功耗同步DC/DC转换器的WSN节点电源模块设计［J］.安徽工程大学学报，2012，27(2):84 －87.

［7］Sinhua A，Chandrakasan A.Dynamic power management in wireless sensor network［J］.IEEE Design and Test of Computer，2001，18(2):62 －74.