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1、文章编号:1004-5422(2008)03-0239-03ZigBee无线传感器网络节点的低功耗设计李文江,魏娟(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105)摘要:基于ZigBee技术的无线传感器网络中由于网络节点能量有限,如何最大限度地利用有限能量是关键.分析了无线传感器网络节点各部分的能耗情况,提出了无线传感器从节点硬件结构和通信两方面来降低网络系统能耗,达到延长网络生命周期的目的.关键词:ZigBee;无线传感器网络;通信;能耗中图分类号:TN914文献标识码:A0引言2传
2、感器节点的低功耗设计无线传感器网络是由大量集成了传感、数据ZigBee无线传感器网络节点是组成传感器网收集、处理和无线通信能力的小体积、低成本的传络的重要组成部分,传感器节点由传感器模块(模感器节点构成的自组织网络.传感器节点通常是拟信号调理模块)、处理器模块、无线通信模块和一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力能量供应模块4部分组成(如图1所示).传感器和通信能力相对较弱,目前,传感器节点的软硬件模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处技术是传感器网络研究的重点.在无线传感器网理器模块负
3、责控制整个传感器节点的操作,存储络中,由于节点本身不能自动补充能量或能量补和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数充不足,节约能量成为传感器网络设计首要考虑据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无的因素.本文从硬件和通信两方面分析了降低功线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应耗应采取的策略.模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常由微型电池提供.1ZigBee技术ZigBee是针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议规范,拥有一套非常完整的协议层次结构,由IEEE802.15.4和ZigB
4、ee联盟共同制订完成.ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术,它工作于无需注册图1ZigBee无线传感器网络节点结构的2.4GHzISM频段,传输速率为20～10MkbPs,传输距离为10～75m.具有电池寿命长、应用简单、由于传感器节点数目非常庞大,通常采用不可靠性高及组网能力强等特点,主要适用于无线能补充的电池提供能量.因此,通过节点的设计尽传感器网络、自动控制和远程控制领域.ZigBee技量减少节点的能量消耗,延长节点和网络的寿命术的出现弥补了无线通信市场上
5、低成本、低功耗是传感器网络的关键技术之一.设备领域的空缺,目前,已有上百家半导体、通信低功耗的设计是一个综合硬件和软件为一体领域的公司加入了ZigBee联盟,支持ZigBee技术的的技术,在单片机和射频模块组成的无线传感器芯片和产品也纷纷开始面世,市场潜力非常巨大.节点中,要保证系统的低功耗,除了选用低功耗芯收稿日期:2008-04-29.作者简介:李文江(1951—),男,教授,从事智能仪器仪表的开发与应用研究1·240·成都大学学报(自然科学版)第27卷片外,还需采用智能控制策略对不同的功耗做
6、工量消耗在无线通信模块上(如图2所示).从图2作状态的动态分析,然后根据分析结果对网络各中可知,传感器节点的大部分能量消耗在无线通层采用高效的软件设计策略来降低系统的功耗.信模块上.2.1硬件电路低功耗设计21111芯片选择原则.为了保证硬件电路的低功耗设计,在芯片的选择上作如下考虑:(1)选用低功耗的CMOS芯片.如Freeseale公司推出的HCS08系列中的MC9SO8GT60是最新的8位MCU,其工作电压为1.8～3.6V,能充分满足电池供电的要求.(2)电源选用较低的输出电压,且本身消耗
7、功图2传感器节点各部分能耗率较小.如MAXIM公司的DC—DC升压芯片2.2.1通信模块的低功耗设计.MAX756,其耗电量极低,静态工作电流为60μA,由于无线通信占了整个能耗主要部分,因此,休眠模式下电流仅为20μA,内置低电压监测系对通信模块的能耗管理非常重要,采取以下措施统.可以减少通信模块的能量损耗.(3)射频模块选用待机电流小、收发电流稳定(1)减少通信流量.通过减少通信模块发送和的芯片.如Freescale公司推出的单片无线收发一接收的比特数,能降低通信模块的能耗.减少通信体的MC1
8、3192芯片,采用经济高效的CMOS设计,流量的方法有以下几种:①本地计算和数据融合,几乎不需要外部组件;芯片采用2.7V供电,接收对传感器节点采集的原始数据和各个节点汇集的状态耗电37mA,发射状态耗电34mA,功耗很低;相关数据进行处理,发送有用信息,可以有效减少它还具有一个优化的数字核心,有助于降低MCU通信量;②如果两帧同时发送,它们会相互重叠,处理功率,缩短执行周期.结果导致接收到的信号难以辨认,需要重传才能2.1.2硬件设计中的低功耗处理措施.把信息正确发送到目的地,冲
