CC1110在低功耗無線傳感器網(wǎng)絡中的應用研究

高俊堯，李俊勇，余劍，杜燕波

（1.66393部隊，保定071000；2.電子工程學院）

引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用的日趨廣泛，越來越多的應用領域要求節(jié)點模塊不僅擁有更小的體積，而且能夠持續(xù)工作更長的時間，低功耗的設計已成為無線傳感器網(wǎng)絡應用研究的一個重要方面[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡低功耗設計可從三個方面進行：一是硬件設計低功耗，即通過低功耗芯片選型[2]、低功耗電路設計技巧運用[3]等多種手段降低系統(tǒng)功耗；二是工作模式低功耗，這是低功耗設計中最主要的手段，也是最有效的，它通過轉換節(jié)點模塊“休眠—喚醒”的工作狀態(tài)實現(xiàn)功耗控制，可以采用節(jié)點時間同步[4]、主機模式控制[5]等方法達到降低功耗的目的；三是軟件設計低功耗，即在無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)過程中，從軟件著手，通過優(yōu)化程序設計、切換芯片功耗模式、采用中斷驅動模式等手段降低系統(tǒng)功耗[6]，從原理上講工作模式低功耗設計也是軟件設計低功耗的一種。

針對某傳感器網(wǎng)絡應用中，由于小范圍內包含大量聚集的傳感器節(jié)點，且數(shù)據(jù)采集時間隨機，傳統(tǒng)Mesh型（網(wǎng)狀）網(wǎng)絡拓撲結構[7]和基于時間同步算法的星型傳感器網(wǎng)絡[4]難以實現(xiàn)，而采用基于星型拓撲結構和主機輪詢的網(wǎng)絡工作模式，能夠有效滿足系統(tǒng)需求，并可以實現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)設計。具體開發(fā)中，采用無線微控制器CC1110作為主控芯片，綜合硬件設計低功耗、工作模式低功耗和軟件設計低功耗實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗設計。

1 系統(tǒng)組成及硬件電路設計

圖1為基于CC1110的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構框圖，以節(jié)點控制器為核心，與無線節(jié)點模塊組成星型拓撲結構的網(wǎng)絡。節(jié)點模塊以CC1110為控制核心，一方面控制傳感器進行數(shù)據(jù)采集，另一方面完成與節(jié)點控制器的無線通信，接受節(jié)點控制器的控制。節(jié)點電源模塊包含充電電路、可充電電池、多級電源芯片等，是電路低功耗設計的硬件基礎。

節(jié)點模塊采用電池獨立供電模式，可以利用無線充電或者太陽能充電，大大擴展了這種傳感器網(wǎng)絡的應用范圍和場合，并且設計中采用了緊縮的電路結構設計、小容量可充電電池以及微小封裝外圍芯片，所以整個節(jié)點模塊體積非常小。圖2為CC1110傳感器節(jié)點模塊的電路原理圖。采用CC1110為控制核心的優(yōu)勢在于：CC1110是一款低成本SoC，內部集成了一個增強型低功耗8051處理器內核和一個無線收發(fā)芯片CC1100，無線通信可工作在315/433/915 MHz的ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)學）和SRD（短距離設備）頻率波段[8]；芯片配合少量的外圍器件，即可成為一個無線傳感器網(wǎng)絡的通信、控制核心。

圖2 CC1110傳感器節(jié)點模塊電路原理圖

圖3為電池供電模塊電路原理圖，采用RICHTECH公司的低壓差穩(wěn)壓芯片 RT9161A-42CX[9]，可輸出4.2 V電壓和最大500 m A電流，在驅動電流為100 m A時，典型壓降為200 m V，能夠提升無線充電和太陽能充電時的能量利用率。內置可充電電池容量為150 m A，能夠滿足系統(tǒng)能量需求，也可以有效減小模塊的體積。

圖3 電池供電模塊電路原理圖

圖4為CC1110電池電壓檢測電路及供電模塊電路原理圖。電池在滿電狀態(tài)下能夠輸出4.2 V的電壓，這超出了CC1110正常工作時的最高電壓3.9 V，所以需要在電池輸出端添加一級的降壓或者穩(wěn)壓的過程?？梢圆捎脙煞N方式：一是利用穩(wěn)壓二極管，這種方式簡單有效，但是會造成功率的大量浪費，特別是穩(wěn)壓二極管前端一般需要一個限流電阻，在芯片休眠狀態(tài)下，此電阻也會持續(xù)耗電，直至電池電壓降到穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓（比如3.9 V）這樣電池從4.2 V到3.9 V的電量將被浪費；二是利用集成穩(wěn)壓芯片，應當選用有較高轉化效率和較小自身功耗的芯片，這里選擇 RICHTECH 公司的 RT9013A-30PB[10]，不僅具有極低的噪聲適合RF應用，而且靜態(tài)功耗只有25 μA，可以大大減小系統(tǒng)的靜態(tài)功耗。CC1110電池電壓檢測及供電模塊如圖4所示。圖4中的電阻分壓電路是用來檢測電池電量，接入CC1110的P0＿7端口，利用內部的模數(shù)轉換功能實現(xiàn)電池電量的監(jiān)測，因為采用了芯片內的1.25 V基準電壓作為參考，所以外部需要準確分壓來計算電池電量，分壓電阻也可以采用非精密電阻，這需要實際測量阻值并在電壓計算中調整換算系數(shù)。

RT9013A-30PB還具有使能端口，能實現(xiàn)供電的開關控制，特別是作為傳感器電源，在傳感器沒有低功耗模式時，可由控制器直接關斷，實現(xiàn)極低的功耗。圖5為RT9013A-30PB應用于外部傳感器控制的電路原理圖，需要注意的是，該款芯片最大能提供500 m A的電流。

通過硬件設計，包括電池充電電路、CC1110芯片供電電路、電壓檢測電路、傳感器供電電路等，構建了系統(tǒng)低功耗的硬件基礎。但實際工作時，CC1110在無線網(wǎng)絡開啟情況下工作電流一般能達到16 m A以上，所以進一步降低系統(tǒng)的平均功耗需要設計系統(tǒng)的低功耗工作模式。

圖4 CC1110電池電壓檢測及供電模塊

圖5 傳感器供電模塊電路原理圖

2 基于“喚醒—偵聽”的低功耗工作模式

CC1110具有4種低功耗模式，如表1所列。分別為PM0～PM3：在PM0模式下，CPU處于掛起狀態(tài)，其他外設可處于工作狀態(tài)；在PM1模式下，高速時鐘源全部關閉，CPU和外設都不工作，數(shù)字寄存器中的內容不丟失，可以響應外部中斷，系統(tǒng)處在低時鐘狀態(tài)工作，這時睡眠定時器工作，I/O保持配置狀態(tài)；PM2模式為次低功耗模式，外部中斷有效，低速振蕩器工作，睡眠定時器工作，I/O保持配置，RAM中的內容和大部分功能寄存器內容保持，其他內部電路關閉，這種模式下可用睡眠定時器喚醒系統(tǒng)；PM3模式為系統(tǒng)最低功耗模式，內部數(shù)字穩(wěn)壓模塊關閉，內部電路全部斷電，只有復位、外部中斷有效，I/O保持配置和輸出狀態(tài)，這時只能通過復位或者外部中斷喚醒系統(tǒng)。

表1 CC1110低功耗工作模式

低功耗的無線節(jié)點采用的是PM2工作模式，因為PM3模式必須通過外部干預才能夠喚醒，不符合設計要求。PM2模式的低功耗算法采用基于“喚醒—偵聽”的工作方式，CC1110開始即進入PM2睡眠工作模式，待睡眠定時器完成計數(shù)后，喚醒系統(tǒng)進入全速工作狀態(tài)，開啟無線接收功能，偵聽頻道信息。如果接收到主機喚醒工作指令，那么恢復到正常工作狀態(tài)，如果在設定的偵聽時間內沒有接收到主機指令或者非本機指令，則重新進入睡眠狀態(tài)，并設定睡眠定時器進入下一次的“喚醒—偵聽”循環(huán)。圖6為“喚醒—偵聽”無線節(jié)點低功耗的工作流程，其中無線節(jié)點在完成主機命令后，可在休眠指令下再次進入休眠模式。

圖6 “喚醒—偵聽”無線節(jié)點低功耗工作流程

針對上面思路設計的無線節(jié)點，在節(jié)點控制器喚醒程序設計時需要注意幾點：一是因為節(jié)點的自主喚醒時間是隨機的，所以節(jié)點控制器要在節(jié)點睡眠和喚醒時間內連續(xù)發(fā)送喚醒命令，這樣如果節(jié)點設置較長的睡眠時間，那么可以有效降低系統(tǒng)的平均功耗，但是會增加節(jié)點控制器發(fā)送喚醒命令的時間，所以需要在功耗和性能之間權衡；二是當一個區(qū)域存在多個無線傳感器節(jié)點時，可以設置多條控制命令，例如單個節(jié)點，或全部節(jié)點喚醒，或者全部節(jié)點睡眠。

3 測試計算

圖7為節(jié)點模塊的功耗測試電路實物圖，包含了CC1110模塊、無線充電模塊、充電供電模塊以及兩路傳感器供電模塊。傳感器的供電測試采用外接負載電阻的方式模擬。

系統(tǒng)應用中，設置節(jié)點的睡眠時間為2 s，節(jié)點喚醒時間為10 ms，節(jié)點活動時的平均電流為20 mA（開啟無線收發(fā)，系統(tǒng)全速工作，不考慮傳感器功耗），睡眠狀態(tài)下測試節(jié)點的電流為0.2 m A（包含3路RT9013A-30PB以及整個CC1110模塊）?？梢杂嬎愠鱿到y(tǒng)工作的平均電流為0.3 m A，則電池充滿后，可以在待機情況下使用500小時。

圖7 功耗測試電路實物圖

結 語

系統(tǒng)綜合硬件電路設計和程序流程控制，提出了一種基于CC1110的無線傳感器網(wǎng)絡低功耗節(jié)點設計方法，可以為一定范圍內多無線傳感器節(jié)點的星狀網(wǎng)絡模式提供設計參考。此外，對穩(wěn)壓芯片選擇以及功耗計算進行了分析探討。最終設計得到的節(jié)點不僅具有較長的工作時間，而且體積小、成本低，適合應用于多種場合。

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[10]RICHTEK.RT9013＿DS9013-10-2011[EB/OL].[2014-07].http：//www.richtek.com.