zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)new

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1、文章編號(hào):1004-5422(2008)03-0239-03ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)李文江,魏娟(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,遼寧葫蘆島125105)摘要:基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限,如何最大限度地利用有限能量是關(guān)鍵.分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各部分的能耗情況,提出了無線傳感器從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)和通信兩方面來降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能耗,達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的.關(guān)鍵詞:ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);通信;能耗中圖分類號(hào):TN914文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言2傳

2、感器節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量集成了傳感、數(shù)據(jù)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是組成傳感器網(wǎng)收集、處理和無線通信能力的小體積、低成本的傳絡(luò)的重要組成部分,傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊(模感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò).傳感器節(jié)點(diǎn)通常是擬信號(hào)調(diào)理模塊)、處理器模塊、無線通信模塊和一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng),它的處理能力、存儲(chǔ)能力能量供應(yīng)模塊4部分組成(如圖1所示).傳感器和通信能力相對(duì)較弱,目前,傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn).在無線傳感器網(wǎng)理器模塊負(fù)

3、責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,存儲(chǔ)絡(luò)中,由于節(jié)點(diǎn)本身不能自動(dòng)補(bǔ)充能量或能量補(bǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)充不足,節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)首要考慮據(jù);無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無的因素.本文從硬件和通信兩方面分析了降低功線通信,交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供應(yīng)耗應(yīng)采取的策略.模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量,通常由微型電池提供.1ZigBee技術(shù)ZigBee是針對(duì)小型設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的協(xié)議規(guī)范,擁有一套非常完整的協(xié)議層次結(jié)構(gòu),由IEEE802.15.4和ZigB

4、ee聯(lián)盟共同制訂完成.ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度的無線傳輸技術(shù),它工作于無需注冊(cè)圖1ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的2.4GHzISM頻段,傳輸速率為20～10MkbPs,傳輸距離為10～75m.具有電池壽命長(zhǎng)、應(yīng)用簡(jiǎn)單、由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大,通常采用不可靠性高及組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),主要適用于無線能補(bǔ)充的電池提供能量.因此,通過節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)盡傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域.ZigBee技量減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了無線通信市場(chǎng)上

5、低成本、低功耗是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一.設(shè)備領(lǐng)域的空缺,目前,已有上百家半導(dǎo)體、通信低功耗的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合硬件和軟件為一體領(lǐng)域的公司加入了ZigBee聯(lián)盟,支持ZigBee技術(shù)的的技術(shù),在單片機(jī)和射頻模塊組成的無線傳感器芯片和產(chǎn)品也紛紛開始面世,市場(chǎng)潛力非常巨大.節(jié)點(diǎn)中,要保證系統(tǒng)的低功耗,除了選用低功耗芯收稿日期:2008-04-29.作者簡(jiǎn)介:李文江(1951—),男,教授,從事智能儀器儀表的開發(fā)與應(yīng)用研究1·240·成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第27卷片外,還需采用智能控制策略對(duì)不同的功耗做

6、工量消耗在無線通信模塊上(如圖2所示).從圖2作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)分析,然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)網(wǎng)絡(luò)各中可知,傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在無線通層采用高效的軟件設(shè)計(jì)策略來降低系統(tǒng)的功耗.信模塊上.2.1硬件電路低功耗設(shè)計(jì)21111芯片選擇原則.為了保證硬件電路的低功耗設(shè)計(jì),在芯片的選擇上作如下考慮:(1)選用低功耗的CMOS芯片.如Freeseale公司推出的HCS08系列中的MC9SO8GT60是最新的8位MCU,其工作電壓為1.8～3.6V,能充分滿足電池供電的要求.(2)電源選用較低的輸出電壓,且本身消耗

7、功圖2傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能耗率較小.如MAXIM公司的DC—DC升壓芯片2.2.1通信模塊的低功耗設(shè)計(jì).MAX756,其耗電量極低,靜態(tài)工作電流為60μA,由于無線通信占了整個(gè)能耗主要部分,因此,休眠模式下電流僅為20μA,內(nèi)置低電壓監(jiān)測(cè)系對(duì)通信模塊的能耗管理非常重要,采取以下措施統(tǒng).可以減少通信模塊的能量損耗.(3)射頻模塊選用待機(jī)電流小、收發(fā)電流穩(wěn)定(1)減少通信流量.通過減少通信模塊發(fā)送和的芯片.如Freescale公司推出的單片無線收發(fā)一接收的比特?cái)?shù),能降低通信模塊的能耗.減少通信體的MC1

8、3192芯片,采用經(jīng)濟(jì)高效的CMOS設(shè)計(jì),流量的方法有以下幾種:①本地計(jì)算和數(shù)據(jù)融合,幾乎不需要外部組件;芯片采用2.7V供電,接收對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的原始數(shù)據(jù)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)匯集的狀態(tài)耗電37mA,發(fā)射狀態(tài)耗電34mA,功耗很低;相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,發(fā)送有用信息,可以有效減少它還具有一個(gè)優(yōu)化的數(shù)字核心,有助于降低MCU通信量;②如果兩幀同時(shí)發(fā)送,它們會(huì)相互重疊,處理功率,縮短執(zhí)行周期.結(jié)果導(dǎo)致接收到的信號(hào)難以辨認(rèn),需要重傳才能2.1.2硬件設(shè)計(jì)中的低功耗處理措施.把信息正確發(fā)送到目的地,沖