一种太阳能供电的低功耗WSN节点的设计与实现

高加杰，张雷

(安徽工业大学计算机科学与技术学院，安徽 马鞍山 243032)

一种太阳能供电的低功耗WSN节点的设计与实现

高加杰，张雷

(安徽工业大学计算机科学与技术学院，安徽 马鞍山 243032)

无线传感器节点的电源因受模块体积的限制，电源能量极其有限。如要保证节点正常工作，需要经常更换电池，而手工方式更换电池极为不便，故限制了无线传感器网络的应用。现设计了一种太阳能自供电的传感器节点模块，并在节点上移植TinyOS系统，从节点硬件、软件方面进行改进，实现低功耗功能。测试结果表明，这种太阳能供电的低功耗节点能够大大延长节点的使用寿命，可以在实际项目中广泛使用。

无线传感器网络;太阳能供电;低功耗;TinyOS

0 引言

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是由大量监测物理环境数据的传感器节点自组织而形成的网络。传感器节点通常会相互协作地完成对特定环境的实时监测，并通过无线的方式将数据传送给汇聚节点。[1]由于这些传感器节点通常是布署在无人看守或恶劣的环境中，所以节点一般是以电池作为主要的供电方式，这决定了解决传感器节点软硬件设计如何降低功耗、延长节点生命周期的问题的重要性。因此对无线传感器网络中监测节点的供电、低功耗问题的研究，具有重要的理论意义和应用价值。TinyOS系统是专门为嵌入式无线传感器网络设计的，可以从系统层面对无线传感器网络进行低功耗研究和设计。[2]

1 TinyOS移植工作

为了解决无线传感器网络缺少系统软件的问题，加州大学伯克利分校的学者们专门开发了TinyOS系统。该系统组件式的架构使传感器节点的代码长度得以减少。同时非抢占式的任务处理方式降低了系统对节点硬件的要求，使该系统可以运行在8位微型处理器上。

WSN通用监测系统节点采用TI公司最新ZigBee芯片CC2530F256。CC2530具有5种运行模式，各运行模式之间切换的时间非常短，这一特性确保了CC2530的超低能源消耗。所以CC2530尤其能够满足超低功耗应用的要求。

TinyOS系统没有对应于CC2530平台的支持代码，因此为了在设计的节点上使用TinyOS操作系统，必须将标准的TinyOS进行改进后在目标平台上实现。[3]

在TinyOS系统中实现通用监测系统的功能，最重要的工作是编写传感器采集的通用组件和接口。监测系统中传感器类型众多，大致可以分为AD、数字、开关、I2C、485等类型。本文设计编写了3层结构组件，硬件层组件去实现各自传感器底层的驱动，如AD、I2C接口组件。硬件抽象层给硬件层每种传感器赋予唯一的类型号和ID号，使之对应于硬件层提供的组件，并向应用层提供组件。这样用户在编写应用层代码时，就可以屏蔽掉传感器类型和传感器接口的差别，只要调用应用层组件的接口AtoSensorCollection就可以了。3层组件及接口之间的关系如图1所示。

图1 3层组件及接口之间的关系图

2 太阳能供电设计与实现

虽然传感器节点会在系统层面实现低功耗的处理，但节点电池能量终究会枯竭，因此如果能够设计出能从外部环境有效获取能源的节点，将会大大延长整个监测系统的生命周期。

无线传感器网络中高效的能源系统设计已经被越来越多的研究者所关注，其中如何从环境中有效地采集和存储能源能量的技术更是目前研究热门。目前提出的方案主要有:基于太阳能的能量收集器、基于震动能量的收集器、基于声音能量的收集器、基于温差能量的收集器。[4]通过研究发现，在广泛采用的能量挖掘方式中利用太阳能电池是功率密度最高的。[5]

因此设计实现了一种基于太阳能收集存储的无线传感器网络节点。该节点选用2 000 mAh锂电池作为能量储备，充放电芯片选用APL3202芯片。当锂电池为传感器节点供电时，太阳能电池板就可以为锂电池供电。但太阳能电池板充电时电压不稳定，不能直接给传感器节点供电，必须由升压电路升到5 V，再统一降到3.3 V才可以给节点供电。当然选用的太阳能电池板大小，需要根据实际项目中的需求及成本来定。节点板给太阳能电池板留了双针插座XH-2P，方便太阳能电池板插拔。传感器节点的供电原理如图2所示。本设计与文献[4]的区别是选用较少的器件来实现太阳能供电的功能，并且在实际的环境中测试了太阳能供电的效果。

图2 传感器节点的供电原理图

为了测试太阳能供电的性能，选用16 cm×10 cm的太阳能电池板(如图3所示)，进行了辅助供电实验，并记录了2组实验数据如表1所示。

图3 太阳能电池板

表1 不同天气对太阳能供电的影响

3 节点低功耗设计与实现

3.1 节点硬件低功耗设计与实现

3.1.1 CPU在PM2模式休眠

CC2530具有5种工作模式，分别为主动模式、空闲模式、PM1、PM2和PM3，其中主动模式是具有完全功能的模式，CPU和射频收发模块都是正常工作的。主动模式到PM3模式功耗逐渐降低。一般低功耗设计CPU休眠会进入PM2或PM3模式。在PM2模式下IO中断、所选的低频振荡器和睡眠定时器是活动的，可以通过睡眠定时器或使能的外部IO中断来唤醒CPU到主动模式。而在PM3模式下，低频振荡器在内的所有内部电路都会关闭，只有复位条件或使能的外部IO中断唤醒CPU到主动模式[6]。对于无人看守的通用监测系统的节点，没有外部IO中断去唤醒设备，所以CPU休眠最好选择PM2模式。同时由于监测系统对传感器节点上报数据的时间要求不是很苛刻(几秒甚至几分钟)。如果让节点一直处于主动模式，必将浪费大量的能量。所以节点采集传感器数据进行数据上报后，能够实现工作模式转换，必将从节点硬件自身降低功耗。CC2530本身硬件的特性也决定了这一设计的可行性，因为从空闲模式、PM1、PM2、PM3与主动模式的转换时间非常短，基本在3 ms左右。本文在TinyOS系统实现了一种CC2530CPU休眠以及唤醒的组件接口，这样采集传感器数据上报后，就可以调用休眠的接口让CPU在PM2模式休眠。在下个周期采集传感器数据上报时，调用唤醒的接口让CPU在主动模式下工作。[7]

在TinyOS系统实现的CPU休眠组件接口为McuSleepControl和 McuSleep，其中 McuSleepControl接口是用于设置CPU休眠时间和唤醒CPU，McuSleep接口是使CC2530CPU休眠。McuSleep接口休眠的实现:通过设置CC2530睡眠定时器定时，定时的时间为McuSleepControl接口设置的时间。然后系统切换CPU工作模块，从主动模式变成PM2模式，让CPU进入低功耗模式。当设置休眠结束，休眠定时器会向唤醒 CPU，切换CPU到主动模式，并由McuSleepControl接口释放CPU唤醒事件。这2个接口具体实现的程序代码如图4所示。

图4 CPU PM2休眠具体实现程序代码

3.1.2 传感器电源控制开关

当CPU处于PM2模式下休眠时，只有使能外部IO中断、所选的32 kHz振荡器和睡眠定时器是活动的。由于32 kHz的振荡器是保证睡眠定时器在PM2下能够工作所必须开启的，睡眠定时器是用于把CPU从PM2唤醒到主动模式，所以二者必须要正常运转的。所以想在硬件基础上进一下降低无线传感器节点的功耗，必须降低外部IO的功耗。传感器节点的IO最大的功耗是传感器模块。传感器模块是由电池直接供电的，即使CC2530CPU进入到PM2模式，电池还是一直给传感器模块供电，这样就会浪费大量的能量。所以为了进一步降低硬件的功耗，选用ME6211电源芯片控制传感器模块的供电。ME6211芯片有一个使能端CE，使能端CE连接CC2530的P0.1引脚。该芯片的特性:只有使能CE端，电源芯片才会给传感器模块供电。当传感器采集数据完毕后，可以禁止使能CE端，这样就可以避免了CPU休眠后，传感器模块还在工作，浪费大量的能量。当进入到下一个采集周期时，由睡眠定时器唤醒CPU到主动模式，此时再使能CE端，让电池给传感器模块供电。传感器电源控制开关的原理图如图5所示。

图5 传感器电源控制原理图

针对硬件两方面低功耗的设计，在设计的传感器节点上进行了一组测试，分别记录下CPU模块和光照传感器模块在正常工作状态下的平均电流和低功耗设计下的平均电流，如表2所示。

表2 硬件低功耗节点能耗统计

根据测试结果，可以发现进行硬件低功耗设计可以大大降低节点的能耗。

3.2 节点软件低功耗设计与实现

为进一步降低节点功耗，本设计在系统软件方面也作了功耗设计处理。

大量无线传感器网络相关研究表明，传感器节点的能耗包括射频通信的能源消耗、数据采集的能源消耗和通信数据计算能源消耗，无线射频通信能源消耗所占的比重最大。[8]而随着通信数据量的增大，能耗必然会随之增大。所以设计好通用监测系统的数据通讯协议，也必然会降低整个WSN能耗。

为了降低通信能耗，设计了一种低功耗通信协议。通用监测系统传感器数量庞大，为区分不同传感器，通信协议必须为每种传感器分配了一个唯一的ID号。为使通信数据量最少，通信协议包含的内容就必须最少。所以设计的TLV通信协议[9]只包含三部分，即传感器类型ID号、传感器数据长度和传感器数据，减少了一般通信协议载有的数据包头、包尾和校验等部分。

在通用监测系统中，可能需要长时间去收集周围环境数据，但周围环境数据可能在一段时间内趋于一致。如果对这些趋于一致的数据进行适当的数据处理，会降低WSN通信能耗。因此设计了一种传感器节点上报数据的规则来进一步降低通信能耗。这个规则:当传感器节点采集完数据后，会与上一次采集的数据进行比较，如果2次采集的数据的差值在一个范围内，给基站节点上发一个特定格式的简短数据，通知基站节点这个周期该传感器数据与前一次采集的数据基本一致。如果数据差值超出了范围，则必须按照正常的通信协议上报数据给基站节点。[10]这样的上报规则虽然增大了节点的计算能耗，但相对减少了通信能耗，根据测试结果发现协议低功耗设计是可行的。

对协议功耗设计的性能进行了一组测试，选用10个光照传感器节点与1个基站节点，10个光照传感器都没有硬件低功耗设计，其中5个节点实现了协议低功耗设计，另外5个节点没有实现协议低功耗设计，按照设计的TLV协议上报传感器数据。10个节点进行了光照监测实验，统计出在相同时间里2种节点发送的字节数与相应的丢包率，如表3所示。根据测量出实验后的电池电压值绘制了2种节点随着测量时间变化的电池能量损耗图，如图6所示。

根据实验数据计算出2种节点的丢包率，说明了协议低功耗设计在通信质量上是可以接受的。

表3 节点丢包率统计统计

图6 节点电池能量损耗图

根据图5可以发现实现协议低功耗的节点在相同时间内对电池的损耗明显小于未实现低功耗设计的节点。

4 实验结果

综合软硬件低功耗设计，监测系统具体实现的思路:在系统启动的事件中，启动一个传感器采集定时器;当采集传感器时间间隔到了，节点会去采集传感器数据;传感器数据采集完成后，与前一次采集的数据进行比较，比较后按照相应的通信协议格式将数据打包，打包完毕后通知系统打开射频的功能;将采集的数据通过射频发送给基站，数据发送完毕后，关闭节点的传感器模块的供电，设置睡眠定时器定时，并通知系统让CPU休眠;待下一个采集的周期到来，睡眠定时器唤醒CPU切换到主动模式，使能电源芯片给传感器模块供电，开始下一个周期的采集与上报传感器数据。

为了评测提出的系统层面的低功耗设计性能，在自主设计的节点上进行了实际光照监测。选择了10个光照传感器节点和1个基站节点进行实验。每个传感器节点都是由容量为2 000 mAh的锂电池供电的，并且每次实验前电池都是满容量工作。另外实验中选用的是16 cm×10 cm的太阳能电池板，该规格的电池板售价低于20元，可以广泛运用在实际项目中。

10个实验节点分为A、B两组，各5个节点。A组是实现了硬件、软件低功耗设计，有太阳能电池板辅助供电的节点，B组是普通的且没有太阳能供电的节点。光照监测实验进行10 h，测试天气为晴天，气温为20～32℃。实验时分别对10个节点进行电池电压测试，记录下1～10 h各时刻的电压值，计算出A、B两组节点随着时间变化的电压变化值，并绘制了太阳能供电的系统低功耗节点与普通节点电池能量损耗图，如图7所示。

图7 A、B两组节点电池能量损耗图

因为电池的电压下降程度可以用来反映电池能量的损耗程度，电压下降越大表明节点消耗能耗越大，电压下降的越小表明节点能量损耗越小。所以根据实验数据，发现有太阳能供电的A组节点电池损耗比较平稳，整体损耗情况也比B组节点小很多。10 h测试时间里A组节点能量损耗率为3.49%，而B组节点能量损耗率为12.79%。因此，由实验数据证明了所提出的太阳能供电的系统低功耗节点具有降低无线传感器网络节点功耗、有效地延长整个网络的生命周期的作用。

5 结语

详述了一种太阳能供电的低功耗通用监测节点的设计与实现。太阳能供电设计从硬件方案可行性与价格两方面进行了分析与论证[9]。从CC2530芯片本身以及无线传感器网络特性，设计实现了硬件低功耗。在TinyOS系统中实现了相应传感器采集、数据打包等组件和接口，并实现了设计的软件低功耗。最终通过实验测试出所设计的系统低功耗节点平均电流比普通节点减少了29.76 mA，电池能量损耗降低了68.1%，太阳能供电则会大大地延长节点电池的寿命。所以实验验证了本设计的确能够有效地降低整个WSN的功耗，延长整个网络的生命周期。

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Design and Implementation of WSN Low Power Node Powered by Solar Energy

GAO Jiajie1，ZHANG Lei2

(School of Computer Science ＆ Technology，Anhui University of Technology，Maanshan 243032)

Since the nodes of WSN are limited to the volume of power supply module，the energy is limited.However manual replacement of batteries limits the application of WSN.A node module which is powered by solar energy is designed，and TinyOS is transplanted onto the node module so as to achieve low power consumption from the hardware and software.A lot of experimental results show that this design can greatly prolong the working life of the nodes，and they can be widely used in practical projects.

WSN;powered by solar energy;low power;TinyOS

TN915

A

1671-0436(2014)03-0027-06

2014-05-27

高加杰(1989— )，男，硕士研究生。

责任编辑:陈 亮