ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗檢測裝置的設(shè)計(jì)

姜巖　王曉薇　衣思超

摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是沒有穩(wěn)定能源作為供給的，只能靠自身攜帶的電池作為能源。若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能源耗盡，則管理端不能正常顯示其傳感器節(jié)點(diǎn)檢測的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致管理端無從得知該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能正常顯示的真正原因，這樣不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能，不利于延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無法檢測自身能耗所帶來的問題，本論文介紹了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗檢測裝置。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)能耗檢測 裝置

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 概述

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境的檢測以及各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組織的方式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是沒有穩(wěn)定能源提供能量，只能靠自身攜帶的電池作為能源。若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能源耗盡，則管理端不能正常顯示其傳感器節(jié)點(diǎn)檢測的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致管理端無從得知該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能正常顯示的真正原因，即電池能量耗盡；還是傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路出現(xiàn)問題導(dǎo)致的不能正常顯示；同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)在不知道該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)無法正常工作的情況下仍然會(huì)繼續(xù)將信息發(fā)送到該故障節(jié)點(diǎn)，這樣不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能，不利于延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 本裝置的功能要求

首先，該裝置可以將傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗發(fā)送給管理端，使得在管理端軟件實(shí)時(shí)讀取傳感器的能耗信息。其次，該裝置能檢測傳感器節(jié)點(diǎn)電池的剩余電量。再次，該裝置對于電池快枯竭的節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)地向管理端和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量即將耗盡的信息，從而避免管理端和其他節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)，以達(dá)到節(jié)能、延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命的目的。

1.2 采用的技術(shù)方案

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上加入低功耗單片機(jī)MSP430F247。首先，MSP430實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗檢測，其方法是通過非常靈敏的采樣電阻對以CC2530為主要芯片的高頻發(fā)射模塊進(jìn)行電壓采樣。通過RS—232串口將實(shí)時(shí)采樣信息傳遞給管理端軟件，已達(dá)到在管理端軟件實(shí)施時(shí)讀取傳感器的能耗信息。其次，利用MSP430中集成的A/D轉(zhuǎn)換器，定期采集電池電量信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，若低于該閾值MSP430通過發(fā)射模塊將信息發(fā)送給管理端和其他無線傳感器節(jié)點(diǎn)。最后，該方案集成了傳感器模塊和高頻發(fā)射模塊，傳感器模塊由溫濕度傳感器和光照傳感器組成。傳感器將采集的光照信息或溫濕度信息通過發(fā)射模塊將信息傳遞給管理端。指示模塊由兩種不同顏色的發(fā)光二級(jí)管組成，每種顏色的二極管點(diǎn)亮與熄滅均代表該節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

1.3 裝置的整體結(jié)構(gòu)

本論文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由MSP430F247構(gòu)成的檢測模塊、Po188光照傳感器構(gòu)成的光照傳感器模塊、SHT11傳感器構(gòu)成的溫濕度傳感器模塊、LT2051構(gòu)成的信號(hào)放大模塊、兩種不同顏色的發(fā)光二極管構(gòu)成的工作狀態(tài)指示模塊、CC2530構(gòu)成的2.4GHz高頻發(fā)射模塊、MSP430F247構(gòu)成的能耗檢測模塊、AP1117構(gòu)成的電池/電源供電模塊、MAX3223構(gòu)成的串口輸出模塊。具有能耗檢測功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電池電源供電模塊為整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的能量使各模塊上電工作，使用中先將光照傳感器或溫濕度傳感器插在傳感器插座上，上電后以CC2530為主的高頻發(fā)射模塊基于Zigbee技術(shù)以自組織的方式與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。光照傳感器/溫濕度傳感器感知節(jié)點(diǎn)周圍的光照強(qiáng)度/溫度、濕度，將感知的信息傳遞給與其串聯(lián)的CC2530，再通過發(fā)射模塊將感知的信息傳遞給其他節(jié)點(diǎn)或管理端。

提前設(shè)置在MSP430的兩個(gè)閾值（一個(gè)是電量較少的閾值，另一個(gè)是電量即將枯竭的閾值）進(jìn)行比較。若電池電量低于電量較少的閾值，那么MSP430會(huì)將信號(hào)經(jīng)過高頻發(fā)射模塊將信號(hào)發(fā)送給管理端或其他節(jié)點(diǎn)，達(dá)到少使用該節(jié)點(diǎn)目的，進(jìn)而平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電量避免因一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電量提前耗盡而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰，延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命；若電量低于電量即將枯竭的閾值，那么MSP430會(huì)將信號(hào)經(jīng)過高頻發(fā)射模塊將信號(hào)發(fā)送給管理端或其他節(jié)點(diǎn)，達(dá)到管理端或其他節(jié)點(diǎn)得知該傳感器電量耗盡即將不能工作，不會(huì)繼續(xù)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息與指令節(jié)省發(fā)射信號(hào)時(shí)所浪費(fèi)的電量，進(jìn)而延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

2 不足與展望

首先，本方案只實(shí)現(xiàn)了對電源能耗的監(jiān)測，不能提供更有效的方式維持無線網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的正常工作；其次，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序連接到主控端后，若因不可控制原因網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)掉線，程序無法自動(dòng)再連接，未來需要深入研究，解決這一問題；再次，本方案只是個(gè)硬件設(shè)計(jì)，在以后的設(shè)計(jì)中，加入軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的有效存儲(chǔ)和直觀的顯示。

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