基于壓電自供電的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

何宏 高艷囡 張志宏

摘 要：針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量大、能耗高，導(dǎo)致其難以長時間工作的問題，基于ZigBee、GPRS、壓電電源設(shè)計自供電無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。首先，采用ZigBee最小系統(tǒng)CC2530和GPRS模塊搭建網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，CC2530模塊實現(xiàn)處理、存儲接收數(shù)據(jù)，GPRS模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)；其次，采用壓電陶瓷片和能量轉(zhuǎn)換芯片LTC3588-1設(shè)計壓電自供電電源，給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)供電。實驗證明，壓電陶瓷片在固定振動頻率下，輸出電壓為70 V、電流為19 mA；當(dāng)有1，2道墻阻隔時丟包率分別低于5%、10%?；趬弘娮怨╇姷臒o線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有無源、丟包率低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；LTC3588-1；壓電自供電；CC2530

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0067-05

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量的微型傳感器組成的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，通過節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作來感知、采集、處理和傳輸對象的監(jiān)測信息[1]，由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)測中心組成[2]。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過基站把數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，傳輸數(shù)據(jù)較多、耗電量較大[3-4]；若網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)失去作用，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)將無法上傳給用戶，整個網(wǎng)絡(luò)也就會面臨癱瘓[5-6]。

為解決上述問題，本文采用低功耗、低成本的ZigBee無線通信模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)壓電發(fā)電原理，設(shè)計了壓電自供電電源，給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)供電。

1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，由處理器模塊CC2530、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊[7]和壓電電源組成。處理器模塊負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)[8]。GPRS與處理器之間通過UART接口連接。壓電電源包括壓電陶瓷片、能量轉(zhuǎn)換芯片和超級電容，壓電陶瓷片把外界作用力轉(zhuǎn)換為交流電輸出，通過能量轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成直流電，存儲在超級電容中，給處理器和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊供電。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

2.1 微處理器模塊

微處理器模塊選用德州儀器研發(fā)的新一代ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2530[9]，具高性能8051內(nèi)核，128 KB可編程閃存，8 KB RAM，具備各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，支持ZigBee2007PRO協(xié)議以及硬件調(diào)試。CC2530核心電路如圖2所示，其中，RF_N和RF_P是射頻天線輸入輸出引腳，P0_2引腳和P0_3引腳作為USART0的RX端口和TX端口，跟GPRS模塊的10號引腳RX_I端口和9號引腳TX_O端口連接。

2.2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊選用SIMcom公司生產(chǎn)、內(nèi)含TCP/IP協(xié)議的SIM900A模塊。通過處理器配置不同的AT指令，實現(xiàn)GPRS與監(jiān)測中心之間的TCP/IP連接，從而把匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離發(fā)送至監(jiān)測中心。

GPRS通信電路如圖3所示。RI引腳接來電指示燈LED2，引腳netlight接網(wǎng)絡(luò)指示燈LED1，通過LED1的閃爍模式來判斷網(wǎng)絡(luò)是否正常。

2.3 電源模塊

壓電自供電電源電路[10]如圖4所示。壓電能量收集芯片[11]LTC3588-1的引腳PZ1和PZ2兩端連接壓電陶瓷片。壓電片產(chǎn)生的能量一方面，通過電容C3為芯片內(nèi)部的buck電路供電；另一方面存儲在兩個容量為4F的超級電容C1、C2中。超級電容具有容量大、充放電迅速的特點(diǎn)，比可充電電池使用壽命更長。超級電容兩端有兩個并聯(lián)的穩(wěn)壓管，目的是防止超級電容過壓擊穿。當(dāng)沒有外力作用在壓電片上時，Vin端電壓下降，超級電容開始向電容C3供電，當(dāng)Vin的電壓值達(dá)到UVLO門限時，buck電路開啟，電能從C3轉(zhuǎn)向C6，由電容C6直接為負(fù)載提供電能。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件的功能是接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚的數(shù)據(jù)，在有發(fā)送數(shù)據(jù)要求時，通過GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。

ZigBee接收數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS的過程，要求二者具有相同的波特率，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和參數(shù)設(shè)置通過調(diào)用Z-Stack協(xié)議棧里的API函數(shù)及原語函數(shù)實現(xiàn)。而GPRS網(wǎng)絡(luò)的建立是由CC2530向GPRS模塊發(fā)送AT指令實現(xiàn)的。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)程序流程如圖5所示。

4 實驗測試

4.1 壓電能量收集理論

壓電材料在外界力的作用下會產(chǎn)生正、逆兩種壓電效應(yīng)，實驗主要利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，把環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[12-14]。壓電元件等效電路如圖6所示。

若外部施加壓力F，則壓電片產(chǎn)生電荷Q為

Q=d33F（1）

壓電陶瓷晶體的等效電容CP為

CP=εLW/h=εS/h（2）

式中：ε——壓電陶瓷晶體的介電常數(shù)；

S——壓電晶體面積；

h——壓電晶體厚度。

則開路電壓U：

U=d33F/CP（3）

可得電流IP為

IP=ωCPU（4）

4.2 電源測試

表1為實驗選用的PZT壓電陶瓷晶體參數(shù)。

由空氣的介電常數(shù)ε0=8.85×10-12 F/m，則壓電陶瓷片的介電常數(shù)ε=ε0·εT33=3 900×8.85×10-12 F/m。實驗測得壓電陶瓷片的開路電壓、輸出電流和振動頻率的關(guān)系曲線分別如圖7和8所示。

從圖中可以看出實驗采用的壓電陶瓷片的固定振動頻率在50Hz左右，最大電壓可達(dá)到70V，最大電流可達(dá)到19 mA。實驗采用的CC2530有3種供電模式：供電模式1，每隔4 μs喚醒一次節(jié)點(diǎn)，耗電量為0.2 mA；供電模式2，通過定時器喚醒，耗電量為1 μA；供電模式3，通過外部中斷喚醒，即節(jié)點(diǎn)進(jìn)入深度睡眠，耗電量為0.4 μA。而SIM900A模塊同樣采用低功耗設(shè)計，睡眠模式[14]下最低耗電量僅有1.0 mA。實驗證明，壓電電源所產(chǎn)生的電量，滿足節(jié)點(diǎn)正常工作所消耗的能量。

4.3 信號強(qiáng)度和丟包率測試

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)送通過函數(shù)sendReport（）實現(xiàn)，然后由函數(shù)SampleAPP_MessageMSGCB（）對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，并在該函數(shù)中調(diào)用afIncomingMSGPacket_t*pkt函數(shù)即可獲得信號強(qiáng)度RSSI的值。

丟包率（PER）是接收端接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)之比。發(fā)送端的數(shù)據(jù)包個數(shù)通過在sendReport（）函數(shù)中增加一個數(shù)據(jù)包計數(shù)器得到；接收端數(shù)據(jù)包個數(shù)通過SampleAPP_MessageMSGCB（）函數(shù)中增加數(shù)據(jù)包計數(shù)器。實驗分別在1～3道混凝土墻（每墻厚度160 mm）阻擋的情況下對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的丟包率和信號強(qiáng)度進(jìn)行測試，每隔1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，共發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)，實驗測得的PER/RSSI與傳輸數(shù)據(jù)之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

從圖中可以看出當(dāng)有1道墻阻隔時丟包率不超過5%，接收信號強(qiáng)度在-45～-50 dBm之間。當(dāng)有兩道墻阻隔時丟包率在5%～10%之間，信號接收強(qiáng)度在-55～-60 dBm之間。當(dāng)有3道墻阻隔時，接收信號強(qiáng)度大幅下降，在-85～-100 dBm之間，丟包率也大幅上升，最大達(dá)到97%。故網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)若布置在室內(nèi)，應(yīng)使兩節(jié)點(diǎn)間的障礙不超過兩道墻，才能保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和接收數(shù)據(jù)的可靠性。

5 結(jié)束語

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，關(guān)系到整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸，若網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不工作，整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸就會中斷。本文采用CC2530、GPRS和壓電電源設(shè)計一款網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，給出了硬件和軟件方面的具體設(shè)計，并針對壓電電源的發(fā)電能力進(jìn)行測試，最后對整個節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度和丟包率進(jìn)行測試，實驗證明該節(jié)點(diǎn)運(yùn)行可靠，復(fù)雜環(huán)境下無需更換電池仍能正常工作，具有較好的應(yīng)用前景。

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（編輯：莫婕）