一种低功耗无线传感节点设计.pdf

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1、嗣应用技术一种低功耗无线传感节点设计黄可嘉林创鲁刘洋吴熠铭(广东省科学院自动化工程研制中心)摘要：针对现有远程无线传感节点存在的功耗较高、测量准确度易受供电电压影响等不足，提出了一种基于时间同步的低功耗通信机制，采用比率测量技术、传感电路节能测量技术、无线SOC技术等技术设计了基于nRF24E1为核心的无线传感节点软硬件。实验表明，无线传感节点休眠功耗仅有2．45uA，10s采样周期的平均电流为93uA；既实现低功耗，也保证了测量准确度。关键词：时间同步；低功耗；nRF24E1；无线传感；比率测量网络采用星型网络拓扑结构。传感节点采集现场传感1引言信息并通过短距RF无线

2、信号将处理结果发送到sink测控网络能够协作地、实时地监测分布区域内的节点；sink节点负责管理节点和处理传感节点发送过各种监测对象信息，并对信息进行处理后传送到监测来的数据并通过GSM／GPRS移动通信网络将数据发中心，其具有环境适应性强、可靠性好、效率高和易往监测中心服务器；用户通过访问监测中心服务器获于扩展等优点，被广泛地应用于国防军事、环境监测、知监测区域的信息，实现远程监测。传感器节点往往物流管理、过程监控等领域【l】。在对远程小区域特别只能采用微型电池供电，对功耗非常敏感。因此，设是野外监测区域的现场数据采集时，经常会遇到采集计一种功耗低、寿命长、成本低的无

3、线传感器节点是节点不便甚至无法采用有线连接方式通信和供电的构建无线传感器网络系统中的重要一环。下文将重点情况。传感器技术、嵌入式技术、特别是无线通信技就无线传感节点如何实现低功耗的问题展开讨论。术的发展，为解决上述问题提供了解决手段。现有远3无线传感节点硬件设计程无线传感节点存在功耗较高、测量准确度易受供电电压影响等不足。对此，笔者提出基于时间同步的低无线传感器节点主要由传感获取单元(由传感功耗通信机制，探索采用比率测量技术、传感电路节器、信号调理电路和A／D转换模块组成)、数据处理能测量技术、无线SOC技术等技术实现相同测量准单元(由处理器、存储器、实时时钟等组成)、

4、射频传确度的低功耗无线传感节点软硬件方法的可行性。输单元f由FIFO缓存、数据帧解包打包和射频收发模块组成1以及电源部分，如图2所示。采用低能耗器件及节能采样电路是降低节点的整体功耗的有效方法。下文中，笔者将就影响节点功耗关键器件进行选型和图1无线传感器网络系统结构框图2无线数据采集系统结构图1为一个无线传感网络系统结构框图，它主要由若干个传感节点、若干个sink节点、移动通信网络图2无线传感器节点硬件原理框图(GSM／GPRS)、监测中心组成。各监测区域传感器203．1S0C无线单片机其中，为ADC前端放大器放大倍数，，为无线通信模块是无线传感节点的重要组成部分，激励

5、电流，为参考电阻，辟为温度传感器的两其功耗大小直接影响节点的整体功耗。MCU与RF端电阻。可见，温度传感器和参考电阻的端电压均随集成的片上系统(SystemonChip，SOC)的推出，不仅满激励电流的变化而成比率变化，激励电流不影响温度足了用户的需求，降低了成本和和功耗，也大大缩短测量精度，其测量精度取决于参考电阻R【4J；传感开发时问。因此，该无线传感节点采用Nordic公司集节点的测量准确度不受供电电路的电压跌落影响。当MCU和RF于一体的nRF24E1型无线单片机【3J。它采用400uA直流电流激励，选择2．5k．Q的参考电阻以工作在全球开放的2．4GHzISM

6、频段，最大传输速率给ADC提供1V的参考电压。可达1Mb／s；包括有9个通道的lO位A／D转换器、1当无线单片机处于休眠状态时，往往将ADC及路SPI总线、1路PWM和1路UART等；工作电压外围传感采集电路关闭以求达到功耗的最低化。如图1．9、，~3．6V；射频模块在发射模式下的电流消耗为4所示，无线单片机在休眠前通过将IO口DIO4信号10．5mA，接收模式下为18mA，在待机节能模式最小PON下拉至低电平控制T1将ADC及外围传感采集电流消耗只有2uA。电路断电；唤醒后通过将PON信号置为高电平开启3．2低功耗温度监测电路ADC及外围传感采集电路进行数据采集。AD

7、C及外由图2可知，在满足测量准确度的前提下，如何围传感采集电路上电时间取决于采集时间长度，断降低传感获取单元的功耗是降低传感节点整体功耗电时间等于休眠时间，其通断频率随节点的传感的重要一环。由于传统采用电压激励的电阻型温度传数据采集频率而节能测量以实现低功耗。感器的出处容易受到ADC参考电压、激励电压的影4低功耗机制和软件设计响，特别是随着电池电压的跌落，其影响更加明显。而采用高精度参考电压源势必大大增加成本。为了克无线通信占了整个无线传感节点能耗的主要部服上述不足此，笔者拟采用电流激励比率测量技术和分。因此，对无线收发子系统的能耗管理非