依据无线传感器网络的特色，本文以CC2430芯片为中心规划一种用于温湿度丈量的无线传感节点，为了下降节点功耗，在ZigBee协议栈的基础上进行改善，为传感节点规划了闲暇、触发和自动等3种作业形式，使节点可以依照实践需求操控采样的机遇和速率，以削减传感节点用于无线通讯的能量开支，然后满意无线传感器网络对节点低功耗的规划要求，一起依据已知参数猜测传感节点寿数，并经过试验进行了验证。
0 导言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由布置在监测区域内很多廉价微型传感器节点组成，以无线通讯办法构成的一个多跳自组织网络体系，其意图是协作地感知、收集和处理网络覆盖区域内感知方针的信息，并发送给观察者。无线传感器网络有助于人们更好地感知客观国际，极大扩展现有网络的功用和人类知道国际的才能，具有宽广的运用远景。
无线传感器网络中的节点一般选用电池供电，可以运用的电量十分有限，而关于有不计其数节点的无线传感器网络来说，对电池的替换是十分困难，乃至是不可能的。可是无线传感器网络的生计时闻却要求长达数月乃至数年。因而，如安在不影响功用的前提下，尽可能节省无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件规划中的中心问题，也是当时国内外研讨机构重视的焦点。
传感器节点由处理器模块、通讯模块、传感器模块和能量供给模块4部分组成。其间，前3个模块耗费能量，因为传感器模块耗费能量相对较低，现在研讨的要点首要会集在处理器模块和通讯模块上。处理器模块节能战略一般有动态电压调理(Dynamic Voltage Scaling，DVS)和动态功率办理(Dynamic Power Management，DPM)。前者的作业原理是当核算负载较低时，经过下降微处理器的作业电压和频率，然后下降处理才能，可以节省微处理器的能耗;后者是运用当节点周围没有感兴趣的事情产生时，部分模块处于闲暇状况，把这些组件关掉或调到更低能耗的状况，以延伸节点寿数。通讯模块耗费能量是最多的，故为其拟定有用的节能战略尤为重要，首要包含操控节点通讯流量，合理组织作业休眠时刻以及选用多跳通讯办法等。
本文经过对硬件的挑选装备和软件的灵敏规划，选用3种备选作业形式，使节点能依据实践状况进行参数设置，削减节点用于无线通讯的能量开支，完结无线传感器网络节点的低功耗方针，一起完结相关测验对该规划方案进行验证。
1 节点硬件规划
ZigBee技能是一种近间隔、低功耗、低数据速率、低复杂度的双向无线通讯技能，适用于无线传感器网络。现在，多家公司均有自己的干流ZigBee芯片，如表1所示。经归纳比较，该规划选用CC2430芯片，该芯片是Chipcon公司供给的全球首款支撑ZigBee协议的SoC解决方案，它在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微操控器，最大27 mA的作业流耗及在休眠形式下0.9μA的流耗使之十分合适无线传感节点对低功耗的要求。
在此选用深圳金图旭昂有限公司的TSZ-CC2430开发体系，移植美国密西西比大学的精简ZigBee协议栈，以CC2430芯片为中心规划一种用于环境监测的温湿度传感节点，经过软硬件规划办法完结传感节点的低功耗方针。
硬件衔接如图1所示，射频芯片CC2430集成了处理器模块和无线通讯模块，大大简化了射频电路的规划。
图1 无线传感器节点硬件衔接示意图
温湿度传感器SHT10的作业电压为2.4～5.5 V，测湿精度为±4.5%RH，25℃时测温精度为±0.5℃。SHT10选用两条串行线与处理器进行数据通讯，串行时钟线SCK担任两者通讯同步，数据线DATA用于数据的读取。DATA在SCK下降沿之后改动状况，并仅在SCK时钟上升沿有用。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA有必要保持稳定。为防止信号抵触，微处理器应驱动DATA在低电平，故DATA线选用10 kΩ的上拉电阻。
关于供电模块，开始规划时考虑节点体积要素，拟选用钮扣电池。但在后来测验中发现，容量为210 mAh的CR2032型钮扣锂电在节点发动瞬间，电池电压立即由3.0V下降到2.4V，难以驱动传感节点正常作业。剖析原因是CC2430射频作业时流耗超出电池的带负载才能，故选用2节一般7号电池供给3.3V电源。
2 节点软件规划
节点程序干流程如图2所示，首要包含数据收集和无线通讯两个部分。出于传感节点低功耗的考虑，软件规划要点放在作业形式的处理上。
节点能耗绝大部分耗费在无线通讯部分，传感节点运用无线办法传输1 b到100 m远所耗费的能量可供执行3 000条指令。可见，怎么有用传输数据，合理组织作业休眠时刻关于节省传感节点能耗有着直接影响，这也是软件规划应要点考虑的问题。
为了完结传感节点的低功耗以及更优的丈量功用，规划时选用作业形式的挑选，经过无线装备传感节点的作业参数，使节点可以依照实践需要操控收集的机遇和速率，然后下降能耗，以延伸节点寿数。节点作业分闲暇形式、触发形式、自动形式3种。其间，闲暇形式下的节点大部分时刻处于休眠状况，仅仅周期性的唤醒查看有无来自服务器的操控指令，以更好地节省能耗;触发形式下RF封闭，只有当传感器丈量值到达设定门限后才触发RF进行无线数据收发，一起可以依据不同的门限挑选相应的采样率，适用于如森林火灾等突发状况的监测和预警;自动形式下传感节点按装备的采样率进行数据收集发送，周期性转入休眠并自动唤醒。形式挑选及相应参数装备均来自传感器网络服务器。对传感节点而言，该项作业是在无线接纳过程中完结的。
3 低功耗测验
鉴于功耗测验特色，传感节点作业形式设置为自动形式，即节点周期性地进行收集、发送、休眠，获取不同阶段的作业参数，依据必定办法进行寿数猜测和验证。
经过测验获取节点作业参数如表2所示，作业电压为3.3 V。可知，节点作业时流耗大，在休眠状况则小得多。因而，为确保在供电电量有限的状况下取得更长的作业寿数，有必要将节点设置为间歇式作业形式，即作业休眠周期性替换进行。下式为节点寿数猜测公式：
式中：Td为节点可作业天数;Qb为可用电池容量;tw为每周期内作业时长;ts为每周期内休眠时长;Iw为作业电流;Is为休眠电流。依据预潮公式及假定电池可用容量为1 000 mAh，可以猜测在不同休眠时长下的作业天数如表3所示。对特定的传感节点，其单周期内数据收集、处理、发送所占用的作业时长是必定的，可变的便是休眠时长，经过操控传感节点不同的休眠时长来获取其相应的作业寿数特性。由表3可知，跟着休眠时长的添加，节点作业寿数随之延伸，当休眠时长为60s，即1 min进行1次数据收集发送时，传感器节点可以接连运用约1年时刻。
在实践测验过程中，选用孚安特锂电ER14250H和一般7号南孚碱性电池进行比对试验，前者电池容量为1 200 mAh，后者无容量标识，但依据其官方网站测验阐明，估量亦在1 200 mAh左右。考虑长时刻测验中电池自放电效应，其实践可用容量必定要小些，仍选用1 000 mAh假定值的猜测成果进行比较。试验得到节点实践可作业天数如表3所示，测验成果与猜测趋势大体上是共同的，传感节点可作业天数与其在一个作业周期内的休眠时长相关。所以，为延伸传感节点寿数，有必要依据实践状况确认节点的作业休眠时刻，在确保网络稳定性、数据可靠性的前提下尽量组织更多的休眠时刻。别的，在组网测验中，传感节点单跳间隔约60 m，自组织特性杰出，传感节点可以挑选较优路由入网，服务器对终端传感节点的数据获取、监测、操控功用均正常。该规划完结的温湿度传感节点如图3所示，电路由CC2430射频板和传感器底板组成，两者经过12 pin&TImes;2接口衔接，便利装置运用。
4 结语
本文介绍了一种依据ZigBee技能的无线传感器网络节点的规划与完结，并进行了测验。试验成果表明，传感节点具有低功耗特性，可以经过无线施行灵敏的丈量和操控，满意无线传感器网络要求。一起，节点规划办法有必定参照价值，便于移植和改善，可用于其他参量的丈量与操控。固然，下降功耗可以延伸无线传感器网络节点的运用寿数，假如可以运用比如光照、风力、轰动等外界能量，然后使传感节点有用地自我补给，这关于户外布置的无线传感器网络将有着积极意义。
