1系统架构与能耗分析
应用于温室的ZigBee无线传感网络包括传感器节点、中继节点、网关和监控中心，如图1所示。无线传感点负责采集数据，ZigBee中继具有数据采集功能(选配)和网络路由功能，智能网关集成了ZigBee模块(作为网络协调器)、GSM模块和WiFi模块，模块之间采用UAＲT通信，可以实现相关通信协议的转换。ZigBee传感网通过智能网关可以和移动设备、监控中心实现互联互通(传感数据上传、控制指令下达)。本文着重讨论无线传感节点的低功耗设计。影响传感器节点能耗的主要因素包括硬件合理性和软件效率，如图2所示。无线传感节点的硬件电路主要由电源模块、MCU、射频模块、传感器模块组成。能量消耗途径主要有:1)元器件自身的功耗，电路中的MCU、电源芯片、传感器等在工作时要消耗电能。2)射频收发。无线通信收发需要消耗一些电能，影响该部分能耗的主要因素有无线通信量的大小和无线信号发射功率。3)漏电流。主要由开关器件漏电流、上拉电阻等消耗掉。例如，I2C总线上接的上拉电阻在总线信号处于低电平时期会有电流消耗，如图3中所示。4)电路空闲。电路中没有工作的部分会白白消耗电能。例如，并无数据收发却仍然打开的Ｒadio和已完成数据采集却未关闭的传感器。软件部分主要包括传感器驱动、ZigBee协议栈、通信管理、数据采集。软件程序中的能量消耗途径主要有:①代码执行。程序执行时间的长短直接影响到能耗。②任务处理。无线传感节点多采用单片机作为处理核心，传统的软件设计多采用单任务处理，而有的任务处理并不是连续的，如图4所示的传统设计中传感数据采集流程。单任务处理将造成CPU工作时间延长，增加能耗。③数据采集。过多的传感数据采集需要消耗额外的能量。虽然传感器自身的功耗很低，但数据采集需要MCU和相关外围电路参与，所以其总体能耗不可忽视。传统设计中，传感器周期性采集数据(如空气温度被定为每分钟采集1次)，这将产生大量无用数据并浪费电能，因为正常情况下温室中空气温度1min内的变化量无关紧要。④空闲时期的长度影响能耗。例如，节点没有任务但未进入休眠。
2系统低功耗设计
2．1无线传感点硬件低功耗设计无线传感节点硬件由电源模块、数据处理与传输模块、传感器模块、升级与扩展接口组成。硬件选型低功耗主要包括考虑以下内容:1)微处理器可选择高集成度的低功耗器件，并支持多种休眠模式，以实现能耗可控。2)传感器选择时不仅要功耗低，而且需注意数据采集周期。周期太长，将延长微处理器的工作时间，增加功耗。若CPU的IO端口富裕，应优先选用非I2C器件。3)电源模块要注意其高效转换时的电压范围是否与供电电压相符。4)尽量避免使用电流驱动型器件。外围电路低功耗设计主要考虑以下内容:1)电阻在能够正常驱动的前提下，需使用较大阻值的，以减少电流消耗。2)在合适的位置加上软件可控的开关电路，便于关断暂时不用但会耗电的模块。2．2软件低功耗设计软件部分的功能包括传感器驱动、数据采集、Sim-pleMac协议栈及数据通信。由于节点工作状态和深睡眠状态功耗相差很大，所以缩短工作时间、延长深睡眠时间可以降低功耗。软件改变硬件电路中的电平实现电路通断，可降低功耗。2．2．1缩短工作时间1)智能数据采集机制。合理安排数据采集任务是缩短工作时间的有效途径之一。传统的周期性数据采集产生大量无用数据并增加能耗，因此提出了智能数据采集机制:根据被测对象的特点智能制定数据采集计划。根据温室环境特点，单个环境变量的变化速率会受到其他环境变量的影响，数据采集频率应根据相关影响因素确定。表1中列出了部分环境参量的影响因素。假设在环境变量i(i=1，2，3，…，n)的影响下，环境变量j(j=1，2，3，…，n)的采集频率为fij，不考虑其他环境变量影响时j的采集频率为f0j，则环境变量j的采集频率为Fj=max{f0j，f1j，f2j，．．．，fnj}(1)f0j可根据实际情况结合历史经验来确定。例如，在卷帘、取暖器和风扇等设备不动作时，温室内空气温度的变化较缓慢，可以每15min采集1次数据。完成测量任务后，通过配置休眠函数，检测发送队列有无待发送数据等。若没有待处理事项，节点就可进入深睡眠模式。2)为减少节点工作时间，软件工程设计可采用轮询标志位的方式，同时启动多个待处理任务，实现多任务并行处理。例如，有多个数据采集任务时，可按采集所需时间从长到短的顺序启动相应的传感器。工作流程如图5所示。2．2．2软硬件结合的节能机制传统设计的传感器节点只是在数据采集完成后由CPU进入深睡眠模式以实现节能，实际测试表明这是不够的。鉴于CPU的IO端口电平不受睡眠状态影响，本文提出了软硬件结合的节能机制。1)外围电路中的一些端口电平变化影响电流的大小，所以根据电路设计的进行软件设计，控制相关端口电平，可以节省能耗。例如，I2C通信端口接有上拉电阻，所以在不用时需要将这两个GPIO端口电平设为高电平，在需要用时再将其设置成低电平。2)电路中处于空闲时段的模块应使其进入低功耗模式。例如，节点有任务未完成但无需无线通信时，应关闭Ｒadio以节能。数据采集完成后，关闭传感器或者通过软件可控开关断开相应电路。3)对采集到的原始数据进行预处理，去除无效数据;在不影响监测的前提下，将一段时间内的传感数据聚合后再上传，从而减少硬件上的无线发送，降低能耗。
3系统实现
根据本文的低功耗设计方案设计的硬件电路架构如图6所示。电路中，数据处理与传输模块主要由ST公司的STM32W108组成。STM32W108是一个高度集成的芯片，集成了一个32位的AＲMCortex－M3的微处理器，符合IEEE802．15．4的2．4GHz射频收发器，128kB的Flash闪存，8k的ＲAM存储器，以及24MHz晶振、ADC等ZigBee系统使用的很多通用外设。该芯片具有低功耗特性:接收状态电流27mA，发送状态33mA，深睡眠状态1μA。传感器模块主要器件如表2所示。充电模块和升级模块共用一个充电、升级端口，可以通过USB对节点进行充电、供电或者软件升级。升级模块可实现对无线传感点进行软件升级，其主要由FT232及其外围电路组成。扩展口可以扩展外接传感器，设有I2C接口和GPIO11、GPIO17，支持模拟量输入，通过内置ADC可以转换成数字量。无线传感节点软件主要负责传感器驱动、数据采集、任务调度、能耗控制、ZigBee协议栈和通信管理。在ZigBee无线传感网中有3种角色，即终端节点、中继节点和协调器。终端节点负责采集数据并上传;中继节点负责建立网络、维护网络和转发数据;协调器负责收集数据通过智能网关上传给监控中心，向下级设备发送指令，并对无线传感网络进行管理。网络建立完成后，终端节点(即无线传感节点)根据计划采集数据，并向协调器上传数据。经过多跳路由之后，数据抵达位于智能网关中的协调器，协调器最终将数据通过智能网关的其他通信链路(GSM或者WiFi)上传给监控中心。
4实验测试与分析
将本文设计的无线传感系统应用于某农林高校科研基地的3个温室，每个温室内布置了4个无线传感点，用于采集温室内空气温湿度、土壤水分、营养液温度、光照度和二氧化碳浓度;温室外布置了两个Zig-Bee中继和一个智能网关，平均通信距离为40m。为了进行对照，在网络中布置了传统软件设计的无线传感节点。部署完成后，节点在20s内完成组网。测试环境为卷帘收起、风扇关闭、照明关闭，对传感网的功能进行测试。测试表明，用手机或电脑等监控终端可接收到传感节点上传的数据。4．1节点能耗测试传感器节点的能耗随着数据采集工作量的增大而增加。采集工作量也就是采集次数。图7为24h内的自然光照条件下光照度采集工作量对比。周期性光照度每2min采集1次;智能采集则考虑到早上5:30－7:30是天亮的时间，傍晚17:00－19:00是天黑的时间，这两个时间段的光照度变化幅度较大，光照度采集频率较大(每15min采集1次)，而其余时间段光照度变化幅度较小，光照度采集频率较小(每30min采集1次)。实验时间定为2013年9月1日19:10至2013年9月2日19:10。从实验结果可以看出:传统设计的数据采集方式随着时间的推移工作量不断加大，而智能采集方式的采集工作量缓慢增大。在24h中，智能采集方式比周期采集方式减少了89%的能耗。4．2传感数据精度测试周期采集节点周期性的开启传感器进行数据采集。低功耗节点根据被测对象的特点有计划地采集数据。对光照度的采集数据如图8所示。由于两种节点使用同型号的传感器，所以所采集的数据精度相互之间都处在同一水平。从实验数据可以得出:在24h内周期性采集节点采集了大量的数据;但其中多数数据波动很小，没有实际意义。低功耗节点的数据采集次数较少，并能够准确反映温室内的光照度变化趋势，同时具有低功耗特性。4．3软件控制能耗测试对多个电池供电的无线传感节点功耗进行测试，将采用软硬件结合节能机制的节点和不采用节能机制的节点的平均电流进行对比，结果如表3所示。测试结果表明:软硬件结合的节能机制可以使工作电流降低57%，休眠电流降低97%。
5结语
设计了基于ZigBee技术的温室环境监测系统，传感器节点装载多种传感器，对多种温室环境变量进行监测。文中系统地论述了无线传感节点的低功耗设计，详细分析了能耗流向，并据此进行软硬件结合的低功耗设计，提出了智能数据采集机制和软硬件结合的节能机制。实验测试结果表明:该设计使传感器节点的工作量减少了89%，工作电流降低了57%，休眠电流降低了97%，从而延长节点生存周期，利于监测系统的长期工作。
作者：谭石坚 董明利 寿国梁 单位： 北京信息科技大学 北京六合万通微电子技术股份有限公司
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