基于無線傳感網的多功能低功耗數據采集平臺設計

虞致國，萬書芹，陳子逢，魏 斌，黃召軍

(中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035)

0 引言

近年來，隨著傳感網技術的快速發展，如何實現對監測對象的遠程數據采集和實時監控成為了一個研究和開發熱點。無線數據采集和監測系統在智能農業、智能醫療、智能安防和智能家居等領域獲得了廣泛的應用［1～6］。在上述應用中，系統的很多功能和要求是類似的［7～11］，且大多數要求節點具備低功耗特性。

因此，如何設計適用于多種環境和應用領域的多功能、低功耗無線數據采集平臺具有重要意義。為此，設計實現了基于ZigBee的可配置無線數據采集平臺，利用ZigBee通信標準來實現各采集點和管理終端的無線傳輸。在該平臺的實現過程中，重點考慮節點的多功能化、低功耗特性，以及管理終端軟件對網絡的管理和配置。

1 系統結構

系統由采集網絡和監控軟件組成，系統結構如圖1所示。采集網絡基于網狀(Mesh)網絡實現，包括一個協調器節點、多個路由器節點和采集節點。協調器節點主要實現網絡管理和與監控軟件通信的功能。路由器節點主要實現節點的數據轉發功能。采集節點可根據應用情況接傳感器，實現數據采集。監控軟件安裝在管理終端上(一般采用PC)，通過計算機接口和協調器節點進行通信，從而實現對整個網絡的管理和數據的采集。

圖1 采集平臺系統結構

采集平臺的特征如下。

(1)節點包括協調器、路由器節點，無線數據采集節點，采用模塊化設計;

(2)節點采用ZigBee協議棧進行無線自組網，使用2.4 GHz ISM頻段;

(3)節點可遠程配置系統采集周期、休眠間隔、發送功率和節點類型等多種網絡參數;

(4)采集終端傳感器接口豐富，可接多種模擬傳感器、智能傳感器(SPI/IIC/UART/PWM/GPIO)等;

(5)節點參數采用Flash存儲，節點上電后自動讀取配置參數:網絡參數存儲在芯片的Flash里，若芯片斷電后再上電，不需要對節點進行重新配置，直接讀取Flash中的網絡參數即可;

(6)監控軟件具有發送功率配置、模擬通道配置、數字通道配置、節點休眠配置和報表生成等功能。

2 系統硬件設計

2.1 硬件總體設計

為了節省硬件開發成本，所有的節點采用同樣的設計，只是在具體器件的焊接時可以根據節點的類型進行取舍。節點由傳感器接口、MCU模塊、人機接口和供電系統等組成，節點系統結構如圖2所示。對于采集節點，LCD顯示部分及電源指示燈不予焊接。PC機的監控軟件通過USB接口與節點相連。

多功能無線采集節點的MCU擔負著系統管理、控制及無線收發等作用，是節點的核心單元。在選擇硬件方案時，重點從節點實際應用方面考慮，如芯片的集成度、軟件開發、芯片的低功耗模式和對外接口等幾個方面。經過比較，選用FreeScale公司的ZigBee集成芯片MC1322X作為核心芯片，該芯片集成度高，并在開發環境中提供了ZigBee 2007/PRO協議棧。MC1322X內含射頻通信電路，支持ZigBee通信協議，最高傳輸率達250 Kbps。該芯片內含巴倫電路，無線部分硬件設計比較簡單，只要外接2.4 GHz的單端天線即可。

圖2 節點硬件設計方案

2.2 多功能傳感器接口設計

MC1322X接口豐富，為了適應將來多類型傳感器，節點保留了多種類型的傳感器接口，節點引出了MC1322X的大部分接口進行傳感器接入，包括數字量狀態接口(GPIO)、模擬量接口(ADC)，智能傳感器接口(包括 IIC，UART/485/422，SPI和 PWM 等)。其中模擬量的接口內部還要考慮信號的調理和ADC穩壓源的實現。對于ADC采集部分，采用芯片LM385-2.5提供ADC轉換的外部參考電壓輸入。

2.3 節點供電系統設計

系統包含5 V電源、USB和電池三種供電方式，其中5 V電源和USB5V電源經過TPS79533后變成3.3 V。TPS79533功耗低、噪聲小，適合于射頻系統設計。不使用USB接口時，如采用5V或電池供電，為了降低功耗，可考慮斷開USB接口電路電源;在使用接口時，無需采用5 V供電(因為USB接口含5 V輸入);此外，采用5 V或USB接口時，為了防止它們對電池充電，必須自動斷開電池供電。因此，系統內部設計了電源接入方式識別電路，當接入5 V電源時，USB芯片的供電會自動斷開;接入電池時，USB芯片和TPS79533的供電也會自動斷開。

2.4 人機接口

MC1322X芯片帶有兩個UART接口，由于目前大多數計算機都不帶RS232接口，所以，節點添加了UART轉USB芯片(FT232RL)。

(1)配置接口

為了能夠現場更好對節點進行配置，節點參數還可以通過USB接口進行現場配置。具體實現的思路是，節點啟動后，等待UART參數配置;如不配置可通過按鍵加入網絡。

(2)軟件升級

MC1322X主要有三種方式對軟件進行升級，一是JTAG，二是USB，三是采用無線升級。其中JTAG接口太大，不便于現場升級，只適用于調試或第一次寫入程序。無線升級的優勢是可以遠程升級，缺點是必需兩個節點。采用USB接口寫入程序，FreeS-cale提供了上位機的擦寫程序，使用也比較方便，但擦寫前，芯片要求先對Flash進行擦除。擦除片內Flash，FreeScale公司推薦的方法是:先對引腳ADC2_VERFH、ADC2_VREFL分別進行接地和接高電平，然后再去除接觸(目的是擦除內部Flash)，這樣就帶來了操作上的不方便，也不便于現場升級。本文對此進行了改進，如要升級程序，可對其中一個按鍵進行長按，軟件識別長按后對 Flash進行擦除。Flash被擦除后，再采用USB接口進行寫入。

(3)按鍵和顯示

顯示包括LCD顯示屏、LED指示燈。按鍵功能由軟件設計，可包括重置、加入網絡及采集功能啟動等。LED指示燈包括電源指示、系統狀態指示燈。LCD顯示屏采用SPI接口進行控制，模塊內置升壓電路。

2.5 硬件低功耗設計

對于采集節點來說，大多需要采用電池供電，因此，采集節點的低功耗設計尤為重要。硬件低功耗要充分利用芯片的硬件特性，下面從兩個方面進行重點考慮:電源、時鐘。

(1)電源可控

當MC1322X進入低功耗后，MCU消耗的功耗很低。如果外圍芯片不能及時關閉，它的靜態電流仍然存在，其數值或將遠超過MCU的低功耗電流，大大影響了系統的低功耗設計性能，因此，在本設計中，需要關閉的芯片主要有基準源芯片、UART轉USB接口芯片等。為了降低芯片功耗，MC1322X在進入低功耗狀態后，芯片引腳(PAD)可以不保持電源驅動，但KBI［3∶0］引腳除外，它們可以保持自己進入低功耗前的狀態。因此，可以采用這些引腳來控制P溝道FET，用FET的關斷來控制相關芯片的電源，從而達到最低功耗設計。節點的電源可控設計結構如圖3所示。

(2)采用低功耗時鐘

圖3 節點的電源可控設計結構

MC1322X設有兩種睡眠模式:Doze(淺睡眠)、Hibernate(深度睡眠)。分別要求不同的時鐘源。因此，在設計上采用了三個時鐘晶振:主晶振(24 MHz)、輔助晶振(32.768 kHz)及內部 2 kHz環形振蕩器。在正常工作狀態和Doze狀態下，采用主晶振時鐘;當處理器進入Hibernate狀態時采用輔助晶振或內部振蕩器，達到降低功耗的目的。

3 軟件設計

3.1 軟件總體方案

系統軟件設計主要包括各類節點軟件設計、PC的監控軟件設計，軟件功能如圖4所示。節點軟件的開發以FreeScale公司的Beekit為基礎，采用IAR System進行編譯。PC的監控軟件設計以VB、數據庫軟件為基礎進行開發。系統工作過程如下。

(1)開啟協調器節點和監控軟件，監控軟件選擇二者的通信接口;

(2)通過按鍵使協調器組建網絡;開啟路由器和采集節點，并通過按鍵使其加入網絡，加入網絡成功后，路由器和采集節點通過協調器向監控軟件發送自身信息;

(3)通過監控軟件設置網絡、節點的接口類型和相關參數，如休眠時間、發射功率等;

(4)通過節點自身的按鍵或監控軟件的命令控制使節點進入工作狀態。

需要說明的是，節點參數配置后會被自身記憶，如無變化，下一次無需重新配置。

圖4 軟件功能結構

3.2 協調器節點軟件

節點軟件包括協調器節點、路由器節點和采集節點三個方面。

協調器節點首先建立網絡，然后等待從PC監控中心接收數據和從ZigBee網絡接收數據，協調器節點的工作流程圖如圖5所示。協調器節點在從PC監控中心接收到命令后，首先要判斷命令是否只是發送給自己的。如果是，則執行命令并不會將該命令發送給ZigBee網絡中，否則將該命令通過廣播或者單播的方式，發送給ZigBee網絡。

圖5 協調器節點軟件流程圖

對于從ZigBee網絡中接收到的數據，主要有兩種情況

(1)其他節點加入網絡后發送的自身信息(節點類型+MAC地址+短地址)。協調器節點接收到該信息后，會發送給監控軟件，監控軟件將數據存儲到相應的數據庫中。

(2)采集節點采集的傳感器數據。協調器接收到數據后轉發給監控軟件。

3.3 路由器節點軟件

路由器節點首先要加入網絡，加入網絡成功后，立即發送自己信息(包括節點類型，MAC地址，短地址)給協調器，供監控中心備案，然后路由器等待配置命令或者網絡數據轉發。

3.4 采集節點軟件

采集節點的流程圖如圖6所示。采集節點加入網絡成功后，立即發送自己信息給協調器，然后采集節點等待配置命令。若接收到的命令為配置參數命令，則配置相關網絡參數。若接收到命令為啟動采集命令，啟動采集系統，采集傳感器數據并將數據發送給協調器，然后判斷是否低功耗使能，若低功耗使能，則進入休眠狀態;待休眠T時間(可設定的時間)后，則再次進入采集傳感器數據并發送給協調器的循環。若低功耗未使能，則延遲T時間后再次進入采集傳感器數據并發送給協調器的循環。

圖6 采集節點工作流程圖

3.5 監控軟件

監控軟件主要用于監測和處理各種傳感器采集參數值，如空氣溫濕度，氣壓，光照度，氣體濃度等。軟件功能模塊主要有串口配置、發射功率配置、模擬通道配置、數字通道配置、節點休眠配置、節點配置查詢、啟動系統、報表生成、查看和幫助菜單等功能。

4 系統測試

4.1 系統構建

協調器、路由器和終端采集設備組成了無線數據采集網絡，采集設備通過無線網絡與上位機實現通信。網絡建立成功后，上位機一方面實現無線網絡的參數配置，另一方面對網絡的運行狀態和采集到的環境參數值實現實時的顯示和保存。監控軟件運行的界面如圖7所示，圖中顯示了一個節點的狀態查詢畫面和采集到的參數實時變化曲線。

圖7 PC機軟件界面

4.2 采集節點功耗分析

MC1322X軟件庫中設置了7種低功耗模式，從而應對不同的實際應用。在實際節點設計時，采集節點的功耗要綜合考慮軟件和硬件，并充分利用MCU的低功耗特性。重點從以下幾個方面進行考慮。

(1)采集節點不焊接電源指示燈，一個發光LED至少需要5 mA左右的電流才能比較好的工作，電源指示燈長亮將無法真正實現系統的低功耗;

(2)節點正常工作，關閉一切不必要的外設，使其功耗最低;

(3)ADC的穩壓芯片工作電流不要太大，只要符合MCU中ADC的驅動要求即可;

(4)進入低功耗狀態后芯片的對外引腳盡量不要出現上拉的情況;

(5)進入低功耗狀態后，關閉一切不必要工作芯片的電源。

在采用低功耗硬件技術的基礎上，對節點進行電源接入方式的功率測試，實際節點的測試結果(電流表:VC9805A+)，見表1。

表1 采集節點低功耗電流測試結果 單位:mA

從表1可看出:(1)基于USB接口比基于5 V電源接口的電流大8 mA左右，這是由于前者的UART轉USB接口電路工作電流帶來的。(2)基于5 V電源接入方式的節點休眠電流比基于3 V電池接入方式的節點休眠電流要大，這主要是由電源管理電路的功耗引起的。結果表明，采用電池供電，休眠期間功耗很低，僅12 μA左右，能夠滿足一般的應用需求。

5 結語

以ZigBee技術和MC1322X為基礎，提出了多功能、低功耗無線數據采集平臺。還介紹了系統的節點軟硬件設計、上位機監控軟件。針對采集節點的低功耗設計、多功能傳感器接口進行重點闡述。經過實驗室測試，系統能夠完成無線數據的采集，具有一定的實際應用價值。

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