基于SmartMesh IP無線傳感網(wǎng)絡的低功耗無線壓力傳感器設計

胡 亮，汪開元，趙光緒

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

基于SmartMesh IP無線傳感網(wǎng)絡的低功耗無線壓力傳感器設計

胡 亮1，2，汪開元1，2，趙光緒1，2

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

現(xiàn)階段在無線頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，無線壓力傳感器存在整機功耗高、電池更換頻繁的缺點，且大多需要由本安電源供電的中繼器安裝在液壓支架間進行數(shù)據(jù)中繼，從而不能真正意義上解決有線方式中存在的傳輸線易被砸斷、維護困難的問題?；诖?，提出了一種基于SmartMesh IP無線傳感網(wǎng)絡的低功耗無線壓力傳感器設計方案。該方案中傳感器由內(nèi)置一次性鋰電池供電，每個傳感器都具有路由功能，無需專門的中繼器進行中繼傳輸數(shù)據(jù)且具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點。從而實現(xiàn)真正意義上的無線傳輸，解決了無線壓力傳感器的現(xiàn)存問題。

SmartMesh IP；無線傳感網(wǎng)絡；壓力傳感器；無線傳輸；低功耗

現(xiàn)階段無線頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，大多采用ZigBee技術實現(xiàn)，但由于ZigBee固有技術特點所限制，系統(tǒng)網(wǎng)絡組建需要三種設備［1-2］。一種是含有協(xié)調(diào)器負責組建網(wǎng)絡并接收、上傳數(shù)據(jù)給交換機的分站，一種是含有路由節(jié)點負責數(shù)據(jù)進行中繼傳輸?shù)闹欣^器、另一種為負責數(shù)據(jù)采集上傳給中繼器的終端設備。中繼器中的無線路由節(jié)點不能休眠［3］，需要使用專門的本安電源供電，不但增加了系統(tǒng)成本，且同樣存在供電電纜易被破壞、維護困難的問題。當中繼設備出現(xiàn)故障時，會導致周圍的終端設備脫離無線網(wǎng)絡，降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測可靠性。終端設備一般采用一次性鋰電池供電［4］，但是由于CC2530等ZigBee芯片功耗高，導致電池的使用時間一般為半年左右，加大了用戶維護工作量。

針對以上問題，筆者設計了一種基于SmartMesh IP無線傳感網(wǎng)絡的低功耗無線壓力傳感器。SmartMesh IP無線傳感網(wǎng)絡是自組網(wǎng)式的低功耗無線通訊網(wǎng)絡，內(nèi)部路由節(jié)點具有休眠功能?；诖司W(wǎng)絡設計的傳感器采用內(nèi)置鋰電池供電，可同時實現(xiàn)中繼設備和終端設備的功能并支持自動休眠管理，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點。

1 SmartMesh IP特點及系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

SmartMesh IP是由凌力爾特公司的Dust Networks產(chǎn)品組推出，并基于6LoWPAN和IEEE 802.15.4e標準實現(xiàn)的低功耗無線自組網(wǎng)協(xié)議［5］。其與ZigBee相比具有功耗低、可靠性高的特點。它采用時間同步網(wǎng)絡調(diào)度技術，最大限度地降低網(wǎng)絡中的節(jié)點功耗；采用16通道FHSS（跳頻擴頻）技術實現(xiàn)帶寬增加16倍［6］，增加系統(tǒng)網(wǎng)絡抗干擾性，使網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃赃_到99.9%以上。網(wǎng)絡中有Manager和Mote兩種節(jié)點，Manager負責管理網(wǎng)絡及接收數(shù)據(jù)上傳至控制器的MCU；Mote負責數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)，同時具有Zigbee網(wǎng)絡中終端和中繼器的功能，且內(nèi)部具有自休眠機制，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送、中繼時處于休眠狀態(tài)，降低了系統(tǒng)功耗。

在頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，分站包含Manager電路，安裝在工作面頂端，負責接收傳感器數(shù)據(jù)并上傳至交換機；傳感器包含Mote電路，安裝在綜采工作面的液壓支架上。數(shù)據(jù)上傳時，傳感器內(nèi)無線模塊會自動選擇通訊范圍內(nèi)的最優(yōu)路徑進行中繼，上傳數(shù)據(jù)到分站中的Manager。當某傳感器損壞時，周邊的傳感器會自動選擇其他路徑進行中繼，上傳數(shù)據(jù)到分站，增加了網(wǎng)絡健壯性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。采用SmartMesh IP技術的傳感器實現(xiàn)了真正意義上的低功耗無線傳輸。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構圖Fig.1 Network topology

2 傳感器組成及工作原理

圖2為傳感器的硬件設計框圖。傳感器電源采用一次性3.6V鋰電池。它具有自放電效率低的特點，適于長期儲存和低功耗長期供電，并通過MOS管開關控制外圍電路供電。傳感器可通過按鍵設定設備ID、網(wǎng)絡ID、報警上下限值等初始狀態(tài)信息。壓力變送器負責將0～60MPa的壓力值對應轉(zhuǎn)化為線性的電壓值，轉(zhuǎn)換精度達到0.5%FS，MCU通過內(nèi)部12位ADC采集變送器輸出的電壓值，利用一次函數(shù)公式可獲取相應壓力值。當采集的壓力值不在設定的報警限度范圍內(nèi)時，傳感器可進行聲光報警。光感電路由光敏電阻和三極管組成，當?shù)V燈照射傳感器顯示窗時，光敏電阻內(nèi)阻變化觸發(fā)三極管導通，傳感器顯示配置信息和實時頂板壓力值。

3 硬件設計過程及低功耗實現(xiàn)

3.1 器件選型

本設計采用Microchip公司的16位單片機PIC24FV32KA304作為傳感器的中央處理器。其具有工作電壓范圍（2.0～5.5V）寬、功耗超低、抗干擾能力強等特點［7］。其休眠模式電流降至8μA，可完全滿足低功耗的設計要求。

圖2 傳感器硬件設計框圖Fig.2 Sensor hardware design diagram

無線芯片采用凌力爾特公司的LTC5800，其內(nèi)嵌無線自組網(wǎng)SmartMesh IP軟件協(xié)議，無需用戶移植、開發(fā)網(wǎng)絡協(xié)議，可縮短開發(fā)周期。LTC5800具有一個片內(nèi)功率放大器和收發(fā)器，只需電源去耦、晶體和具有匹配電路的天線即可創(chuàng)建一個完整的無線節(jié)點。表1為LTC5800與常用無線芯片的主要技術參數(shù)對比。

通過表1可以看出，LTC5800具有發(fā)射功率大、接收靈敏度高和功耗極低的特點，比CC2530和JN5418更適合低功耗無線產(chǎn)品的設計。

表1 LTC5800與其它無線芯片主要技術參數(shù)Table 1 LTC5800and other wireless chip main technical parameters

3.2 無線通訊單元的硬件設計

圖3為LTC5800的硬件設計原理圖，L1、C1和C4組成電源濾波電路，去除100～2 000kHz的紋波干擾，增加芯片工作穩(wěn)定性。晶振Y1為休眠狀態(tài)提供同步時鐘，晶振Y2為芯片內(nèi)部射頻模塊提供時鐘源。LTC5800具有片內(nèi)功率放大器（PA）和收發(fā)器，L2、C14和C16組成低通π型濾波電路外接阻抗是50Ω的天線，組成RF發(fā)射電路。

圖3 LTC5800硬件原理圖Fig.3 LTC5800hardware schematics

3.3 低功耗的實現(xiàn)

傳感器低功耗通過軟硬件設計共同實現(xiàn)。傳感器設定為每隔1min采集一次液壓支架的工作阻力，每5min發(fā)送一次這5min內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成一次采集和發(fā)送時間在2s左右。在不進行壓力采集和發(fā)送階段，通過電源開關關閉外圍電路的電源，MCU進入休眠狀態(tài)，以降低設備功耗。這樣既能保證及時捕捉到支架正常工作及移架階段壓力變化的關鍵點，又為支架支護狀態(tài)、進行支護分析提供準確、合理、有效的數(shù)據(jù)；同時又能降低設備的平均功耗。

設備在進入休眠狀態(tài)時，只有MCU、無線通訊模塊、光感電路和系統(tǒng)時鐘電路供電。休眠狀態(tài)下，MCU和系統(tǒng)時鐘消耗電流在10μA左右；光感電路的光敏電阻暗光狀態(tài)下電阻值在500Ω左右，消耗電流在60μA左右；無線模塊的消耗電流2μA左右，休眠的整機電流在80μA左右。采集和發(fā)送數(shù)據(jù)時電流在15mA左右，時間在2s內(nèi)可完成。因此，傳感器的平均電流為：｛15（mA）×10（s）＋0.08（mA）×290（s）｝÷300（s）＝0.57mA。采用9A/h的電池，考慮電池20%損耗，使用一年最大平均電流為：｛9（A/h）×80%｝÷｛24（h）×365（d）｝＝0.82 mA，根據(jù)上述的理論計算可以看出，傳感器的平均電流遠小于所要求的電流，電池完全可以使用1年以上。

4 系統(tǒng)軟件設計

如圖4所示，傳感器上電后首先對PIC單片機進行初始化配置包括ADC、UART、RTC、I/O、EEPROM以及Timer等，然后讀取存儲在PIC單片機內(nèi)部EEPROM的傳感器配置信息。讀取完成后，MCU通過UART接口發(fā)送命令字，控制LTC5800向無線網(wǎng)絡發(fā)送加入網(wǎng)絡申請。組網(wǎng)成功后，LTC5800通過UART返回組網(wǎng)成功通知，MCU關閉外圍電路電源開關并進入休眠狀態(tài)，并通過RTC定時器每隔1min自動喚醒一次，喚醒后首先判斷是否處于組網(wǎng)狀態(tài)，若處于網(wǎng)絡中則進行采集和發(fā)送處理，重新進入休眠狀態(tài)；若不處于網(wǎng)絡中，則重新發(fā)送組網(wǎng)命令。MCU進入休眠待機狀態(tài)時，并不關閉LTC5800電源。因為LTC5800的UART一直處于可操作狀態(tài)，其通過SmartMesh IP網(wǎng)絡內(nèi)部同步機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、中繼以及休眠控制。

圖4 軟件主流程圖Fig.4 The main flow chart of software

5 總結(jié)

本文介紹一種基于SmartMesh IP無線傳感網(wǎng)絡的低功耗壓力傳感器的設計。基于此設計的傳感器采用內(nèi)部一次性鋰電池供電，同時具備終端采集和網(wǎng)絡中繼功能，具有低功耗，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點。經(jīng)過理論計算和實驗論證，傳感器采用9A/h的電池，傳感器可工作1年以上，解決了現(xiàn)存無線頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器上傳數(shù)據(jù)需要由本安電源供電的中繼器進行中繼和傳感器整機功耗高、電池更換頻繁的問題。

［1］王 桃，劉曉文，喬 欣，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.工礦自動化，2014，40（6）：7-10.

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［3］吳耀明，婁華平，張國良.基于CC2530的礦用無線頂板壓力傳感器的設計［J］.工礦自動化，2012，38（12）：77-79.

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［5］王利國，張宏科.基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)絡動態(tài)路由協(xié)議研究［J］.重慶郵電學院學報：自然科學版，2006（6）：740-743.

［6］李堃.基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的研究與實現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

［7］王鴻建，馮小龍，張劍英，等.基于PIC的煤礦液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.煤炭工程，2009（10）：117-119.

Design of low-power wireless pressure sensor based on SmartMesh IP wireless sensor networks

HU Liang1，2，WANG Kaiyuan1，2，ZHAO Guangxu1，2
（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400039，China；2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China）

At the present stage of wireless roof pressure monitoring system，wireless pressure sensor presences shortcomings of high power and frequent battery replacement，and mostly need for data relay router which supplied by intrinsically safe power，installed between the hydraulic support.So it not really solves the problems of data transmission cable is easily be cut and equipment difficulty to maintenance which present in wired system.Based on this，we propose a design of low-power wireless pressure sensor based on SmartMesh IP wireless sensor networks.The sensor supplied by in-house disposable lithium battery，each sensor has routing function without dedicated repeater to relay data transmission and has low power consumption，high data reliability features.Therefore，we achieve real sense of wireless transmission and solve the existing problems of wireless pressure sensor.

SmartMesh IP；wireless sensor networks；pressure sensor；wireless transmission；low power consumption

TD326＋.2

Α

1671-4172（2015）03-0070-04

中煤科工集團重慶研究院有限公司2013年重慶院青年創(chuàng)新基金項目（2013QNJJ26）

胡 亮（1982-），男，碩士，工程師，電路與系統(tǒng)專業(yè)，主要從事煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.015