基于可充能传感器网络的环境监测系统研究与设计

黄晓甫 林秋兰 赵敬宣

(北方工业大学信息学院,北京 100144)

0 引言

步入新世纪以来,5 G技术的推广应用带动了可充能传感器网络技术的发展,可充能传感器网络在人们的日常生活中越来越普及。部署在野外的传感器网络为野外监测系统,通常由分布在环境中的多个传感器节点,通过节点单跳或多跳的方式连接到网关或基站,实现数据的传递和转发,实现环境的远程监测。大大提高了为人们提供智能化服务的能力,方便了人们的生活。本文主要关注近年来越来越被重视的一个应用领域:可充能传感器网络在野外环境监测方面的应用场景[1-4]展开研究。

1 可充能传感器硬件结构

如图1展示了一个可充能传感器网络的体系结构,传感器节点部署在感测区域对环境状态(如CO2、氮氧化物、温湿度等空气指标)进行监测、汇聚节点通过互联网将收集到的数据转发到用户端。可充能传感器网络由众多可充能传感器节点组成,每个可充能传感器节点主要由四大模块组成,分别是能量供应模块、处理器模块、传感器模块射、频通信模块。

图1 可充能传感器网络体系结构Fig.1 Architecture of rechargeable sensor network

(1)能量供应模块。能量供应模块将可再生能源(如太阳能、风能、水能等)转换为电能为节点提供能量,使传感器能够在人烟稀少或者人类无法到达,并且需要进行环境监测的地方(如偏僻、危险的区域),依赖于自身的储能和可再生能源,为节点工作供电。节点的充能和储能越多,节点工作时间越长。能量供应模块的好坏直接决定着可充能传感器的工作寿命。

(2)传感器模块。传感器模块包括传感器和模拟数字转换器。首先,传感器负责进行环境数据采集(如CO2、氮氧化物、温湿度等空气指标),并将采集到的模拟信号转换成数字信号(报文信息)。能够实时监测外界环境的变化。然后,模拟数字转换器(ADC)将温度、湿度、风速、光照强度等采集到的模拟信号按照一定规律转化为数字信号。最后,传感器模块将处理好的信息转发给射频通信模块。

(3)处理器模块。处理器模块包括处理器和存储器,该模块的功能是控制和协助系统运行。能够对节点采集到的数据进行计算处理,决定了节点的数据处理能力。不同处理器的计算能力不同,直接影响节点的工作耗能和节点的寿命。

(4)射频通信模块。射频通信模块的功能是支持节点进行无线通信,将节点收集到的数据通过无线通信协议(如IEEE802.15.4标准、Zigbee等)转发给中继节点或者Sink节点。然后,通过互联网传输给用户。射频通信模块是传感器体系中感知层和网络层的桥梁。

2 SM14Z2538开发板接口

SM14Z2538是一款价格实惠且实用的ARM Cortex-M3开发板,集成TI CC2538处理器,适用于本文部署的可充能传感器网络系统。TI CC2538是TI公司推出的一款集成ARM Cortex-M3内核的处理器,支持6LoWPAN、ZigBee、IEEE802.15.4、IPv6等网络协议。TI CC2538处理器在睡眠模式下电流仅仅为1.3μA,在计算能耗时,可以忽略不计。128K～512K的可扩展闪存存储器支持智能能源基础设施。8K～32K的RAM支持很大的灵活扩展。TI CC2538集成了多个接口,包括JTAG接口、电源开关、5V电源、USB供电接口、自定义按键、复位键、I/O接口、供电方式选择接口、无线接口、LEDKey I/O扩展接口。其中,天线接口用来连接天线,实现无线传输,增加传输距离;LED灯由跳线帽连接不同的引脚控制灯的亮灭。SM14Z2538的实物图如图2所示。

图2 SM14Z2538实物图Fig.2 SM14Z2538 physical drawing

SM14Z2538部分参数指标及器件描述[5]如下:

(1)时钟速度高达32MHz;

(2)支持512KB、256KB和128KB的系统内可编程闪存;

(3)RAM高达32KB;

(4)集成了2.4GHz的IEEE 802.15.4兼容RF收发器;

(5)功率模式PM1(4μs唤醒时间,32KBRAM保持),电流0.6mA;

(6)功率模式PM2(休眠模式,16KB RAM保持,限压监控),电流1.3μA;

(7)功率模式PM3(外部中断,16KB RAM保持,限压监控),电流0.4μA;

(8)电源电压范围为2.0V～3.6V;

(9)支持Contiki、6LoWPAN、ZigBee。

综上所述,由于TI CC2538具有低功耗、低时延、低成本、高保密性、开放性、灵活度高的优点,能够支持短距离无线通信,支持从睡眠状态到工作状态的快速切换,并且,在休眠模式PM2下,仍然能够进行限压监控,维持低功耗运行,这一功能大大降低了节点工作时的能耗,满足本系统的使用需求。因此,本文在部署可充能传感器网络时,选用了SM14Z2538。

3 硬件和软件层面的改进

为了让可充能传感器节点在低功耗模式下长期稳定工作,实现低成本免维护的网络部署,进行环境监测,本文在硬件层面和软件层面对SM14Z2538进行了改进,改进后的SM14Z2538如图3所示。在硬件层面,节点采用外置全向天线进行无线通信,使用面积为(110*80)mm2的单晶硅太阳能电池板吸收太阳能供电,外接容量为90mAh(额定电压4.0V)的电容HPC1520进行储能。为了避免不必要的耗能,去掉了能耗较高的耗能器件,比如:LED灯、稳压芯片、跳线帽、自定义功能按键等。在软件层面,SM14Z2538系统上集成了Contiki操作系统。由于Contiki源代码的组织很灵活,大大方便了组网工作的顺利进行。Contiki操作系统中包含的源代码文件主要包括a p p s、c o r e、c p u、platform、tools等核心文件。core是Contiki操作系统的核心代码目录,包括网络的设置,文件系统、链接库文件等,cpu是Contiki操作系统的微处理器目录,包括arm、avr等。为进一步在软件设计上实现低功耗,本文通过在core和cpu中分别添加了程序将芯片设置为低功耗模式,在芯片内置uip6.c(thingsquare-firmwarecontikicore etuip6.c)文件中加入了可接受远程控制路由拓扑变化的程序,在lpm.c(thingsquare-firmwarecontikicpucc2538lpm.c)中增加了简单的周期性休眠程序,即当无数据传输时SM14Z2538就进入PM2休眠模式[5],此模式下仅有微安级耗能。

由于在部署传感器网络时,受节点所处位置的光照强度、湿度、传输距离、地理位置等因素的影响,需要考虑不同的传输距离、光照强度、地理位置、以及传感器的工作模式等情况,合理部署可充能传感器网络。图3是课题组经过对可充能传感器SM14Z2538的硬件结构调研后,经改进后的SM14Z2538。其中,光伏板的面积(110×80)mm2和光电转换效率18%来自于对工作中的SM14Z2538的实际测量。节点收发数据耗能是基于高准确度功耗测试仪(Monsoon FTA22)针对TI CC253X芯片的节点间通信耗能实测得出,节点接收一次数据的耗能是节点发送一次数据耗能的60%,节点接收一次数据的耗能为0.161J/time,节点发送一次数据的耗能为0.268J/time。

图3 改进后的SM14Z2538Fig.3 Improved SM14Z2538

4 结语

本文主要阐述了可充能传感器节点的硬件结构,介绍了能量供应模块、处理器模块、传感器模块射、频通信模块的主要功能。随后分析了部署可充能传感器网络系统需要考虑的几个必要因素,根据实际需求选择了SM14Z 2538开发板,集成了TI CC2538处理器和Contiki操作系统。在进行真实网络部署时,为了让节点在低功耗模式下工作,对SM14Z2538从硬件层面和软件层面进行了改进。去掉了传感器节点上不必要的耗能器件,比如:LED灯、稳压芯片、跳线帽等。加入了设计程序使芯片能够在低功耗模式下运行,并对SM14Z2538的耗能进行了实测。实现了让传感器节点只在低功耗模式下进行数据接收和转发的目标。