熱電偶無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

尚立信, 焦新泉, 陳建軍

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，被測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量繁多，種類復(fù)雜，頻率和特征不盡相同，導(dǎo)線和電纜大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的重量和成本，同時(shí)也降低了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性[1]。尤其在一些不方便或不允許布線的關(guān)鍵位置，根本無(wú)法布置電纜獲取信號(hào)。因此，研究人員將無(wú)線傳感器放置于飛行器的多個(gè)位置實(shí)時(shí)獲取飛行數(shù)據(jù)[2]。但無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)多采用電池供電，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的能量非常有限，且更換電池不易[3]。如何最大限度降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期仍是亟待解決的問(wèn)題[4]。

2017年，李文艷等人針對(duì)短距離射頻無(wú)線通信提出一種基于流量自適應(yīng)的超低功耗MAC協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的通信量對(duì)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度以降低能耗[5]。2018年，賀翔等人提出了一種基于MF-TDMA的低功耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)頻率和時(shí)間資料動(dòng)態(tài)分配節(jié)省無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗[6]。2019年，DHUNNA G S等人基于動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling)設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)功率管理機(jī)制，動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，在性能和功耗之間取得平衡[7]。2020年韓雨龍等人通過(guò)減少空閑偵聽(tīng)的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)低功耗[8]。2021年，YOU S等人采用動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management)合理控制節(jié)點(diǎn)完全休眠狀態(tài)的時(shí)機(jī)和時(shí)間長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)開(kāi)啟或關(guān)斷各組件，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能[9]。2021年，王輝等人基于表層漂流附表系統(tǒng)通過(guò)軟件看門狗減少系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)降低達(dá)到低功耗的目的[10]。

以上研究提出的休眠機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要是降低待機(jī)和休眠狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)能耗，缺少對(duì)工作狀態(tài)下低功耗的研究，而飛行器內(nèi)部的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量主要消耗在工作模式下[11]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于熱電偶無(wú)線傳感器，提出了一種適用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的低功耗策略，該策略充分考慮了節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)下的能量消耗，并結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低功耗熱電偶無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，能有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。

1 節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

熱電偶無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用一體式設(shè)計(jì)，由傳感器模塊、電源模塊、核心處理器以及無(wú)線射頻模塊組成。熱電偶傳感器采集到溫度值后通過(guò)核心處理器內(nèi)的AD模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，如圖1所示，通過(guò)射頻模塊將其發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)鐘同步。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)需要周期性采集傳感器信號(hào)并頻繁地處理收發(fā)數(shù)據(jù)，核心處理器和射頻芯片長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，消耗節(jié)點(diǎn)大量能量。本文選取GD32E230C8T6作為核心處理器，其內(nèi)部電源管理單元提供了3種省電模式：睡眠模式、深度睡眠模式和待機(jī)模式。待機(jī)模式下的電流僅5.5 μA，合理運(yùn)用低功耗模式可使得應(yīng)用程序在CPU運(yùn)行時(shí)間、速度和功耗的相互沖突中達(dá)到平衡。

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多采用NRF24L01作為射頻芯片，Si24R1作為NRF24L01的替代使用型號(hào)，軟件硬件都可兼容，在國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域有較高的認(rèn)可度。表1從不同方面對(duì)兩款芯片的相關(guān)參數(shù)做了比較。在接收靈敏度、關(guān)斷功耗、待機(jī)功耗和最大發(fā)射功率上，Si24R1優(yōu)于NRF24L01，雖然前者的發(fā)射功耗略高于后者，但后者更小的待機(jī)電流和關(guān)斷電流使得節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)下的平均電流更小，對(duì)于無(wú)線傳感器來(lái)說(shuō)，射頻模塊休眠時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)大于工作時(shí)長(zhǎng)[12]，所以Si24R1的長(zhǎng)期功耗更低，且Si24R1的成本要低于NRF24L01，所以本節(jié)點(diǎn)選擇了國(guó)產(chǎn)的Si24R1。

表1 SI24R1和NRF24L01的參數(shù)對(duì)比

1.1 電源管理電路

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要在通信模塊、處理模塊和感知模塊，對(duì)這3個(gè)模塊進(jìn)行能耗分析是研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗的第一步。通信模塊負(fù)責(zé)與sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，電壓控制振蕩器和功率放大器等芯片內(nèi)部元件不但有工作功耗，還有啟動(dòng)功耗。處理模塊即核心處理器，其能量主要消耗在工作電壓、運(yùn)行時(shí)鐘以及數(shù)據(jù)處理等方面。感知模塊由傳感器信號(hào)采集芯片及其功能電路組成，包括信號(hào)的采集和調(diào)理。

處理模塊、感知模塊和通信模塊都具有多種不同的工作模式，在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中這些功能模塊通常被成為功耗可管理部件PMC(power manageable component)。PMC通常不是同時(shí)處于工作狀態(tài)，而是根據(jù)任務(wù)需求通過(guò)DPM機(jī)制對(duì)其進(jìn)行調(diào)度和狀態(tài)切換，不同的狀態(tài)下消耗的能量不同，這部分能量由電源單元提供[13]。大部分PMC與電源模塊發(fā)生關(guān)聯(lián)，與電源單元發(fā)生關(guān)聯(lián)的模塊都在消耗能量，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍無(wú)有效事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，需要把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，從而節(jié)省能量。DPM是降低無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的常用方法。DPM基本原理是根據(jù)系統(tǒng)工作負(fù)載的變化情況將部分模塊或整個(gè)節(jié)點(diǎn)切換至低功耗狀態(tài)，甚至將其關(guān)閉，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，降低系統(tǒng)的能量消耗。

但僅僅通過(guò)DPM節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量還是無(wú)法滿足低功耗的需求，因?yàn)椴糠諴MC切換至低功耗狀態(tài)后仍需電源單元向其提供電流保持低功耗狀態(tài)，為了降低甚至消除PMC在低功耗狀態(tài)下的能量消耗，本文設(shè)計(jì)了一種電源管理電路，將能量分模塊進(jìn)行管理?？刂颇K通過(guò)IO口輸出高低電平來(lái)控制線性穩(wěn)壓電路是否正常工作，若穩(wěn)壓電路不被使能，則其無(wú)法輸出足夠大的電流，使得與其連接的PMC無(wú)法啟動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)配合DPM機(jī)制，進(jìn)一步節(jié)省無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。如圖2所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠或待機(jī)狀態(tài)時(shí)，失能穩(wěn)壓電路2和穩(wěn)壓電路3，使得除了處理器之外的組件節(jié)點(diǎn)都被關(guān)掉，有效降低節(jié)點(diǎn)能耗。

圖2 電源管理電路結(jié)構(gòu)框圖

穩(wěn)壓芯片選擇TPS782，其最大輸出電流可達(dá)150 mA，完全滿足整個(gè)系統(tǒng)的最大工作電流的要求。更為重要的，TPS782的靜態(tài)電流僅500 nA，其意味著當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于儲(chǔ)運(yùn)狀態(tài)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗可低于1 μA。

1.2 K型熱電偶調(diào)理電路

熱電偶輸出信號(hào)屬于緩變模擬信號(hào)，其輸出信號(hào)及其微小，通常為每攝氏度10 μV左右，所以熱電偶調(diào)理電路是實(shí)現(xiàn)K型熱電偶冷端補(bǔ)償和保證測(cè)量精度的核心。

本文選用儀表放大器AD8227，具有輸入噪聲低，共模抑制比大的優(yōu)點(diǎn)，且其典型電流為350 μA，滿足項(xiàng)目低功耗要求。K型熱電偶信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。熱電偶較長(zhǎng)的導(dǎo)線易發(fā)生天線效應(yīng)，對(duì)其他信號(hào)造成干擾甚至拾取周圍無(wú)用的干擾信號(hào)，為了消除長(zhǎng)引線產(chǎn)生的高頻噪聲對(duì)有效信號(hào)造成的干擾，本文在熱電偶和AD8227之間接入了由兩組對(duì)稱一階RC低通濾波電路組成射頻濾波器，提高熱電偶信號(hào)的測(cè)量精度。C1=C4=0.01 μF，為了提高共模抑制比，C3需大于10倍的C1，放大器輸入正端接入阻值為1 MΩ的電阻R10對(duì)熱電偶進(jìn)行開(kāi)路檢測(cè)[14]。AD8227輸出信號(hào)接入二階壓控低通濾波器，再次對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，消除串?dāng)_噪聲的影響[15]。反相放大器AD824對(duì)信號(hào)增益做最后的微調(diào)，使輸出電壓Vout在ADC可采集的電壓區(qū)間。AD824具有高精度和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，且單個(gè)放大器電源電流僅500 μA，符合本文低功耗電路設(shè)計(jì)的需求。

圖3 K熱電偶信號(hào)調(diào)理電路

AD8227放大倍數(shù)為：

(1)

二階壓控低通濾波器放大倍數(shù)為:

(2)

選取R1和R3的阻值分別為510 Ω和51 Ω，R9和R8的阻值分別設(shè)為51 kΩ和12 kΩ。熱電偶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后的輸出電壓值Vout為:

(3)

1.3 冷端補(bǔ)償電路

由于AD8227并無(wú)內(nèi)置溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)冷端的自動(dòng)補(bǔ)償，所以選用PT100鉑電阻設(shè)計(jì)了如圖4所示的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償，冷端電路設(shè)計(jì)的好壞影響熱電偶傳感器的測(cè)量精度[16]，為了保證補(bǔ)償精度，補(bǔ)償電路的仍然選擇低功耗儀表放大器AD8227。

分別對(duì)K型熱電偶和PT100鉑電阻在0～60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的“熱電勢(shì)-溫度”進(jìn)行曲線擬合，得到擬合方程Y=KX和Y=PX，K為K型熱電偶的補(bǔ)償系數(shù)，值為0.040 42，P為PT100的補(bǔ)償系數(shù)，值為0.302 758 545，K和P的單位均為mV/℃。

該冷端補(bǔ)償電路的補(bǔ)償電壓為UC，單位為mV，有：

(4)

當(dāng)熱電偶傳感器冷端完全被補(bǔ)償時(shí)，有：

UC=KG1

(5)

本文設(shè)計(jì)的K型熱電偶冷端補(bǔ)償電路解決了調(diào)理電路不平衡及AD8227無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償冷端的問(wèn)題，將熱電偶的調(diào)理電路和冷端補(bǔ)償電路分開(kāi)，保證了電路的對(duì)稱性以獲得更高的共模抑制比。保證補(bǔ)償精度的同時(shí)兼具降低節(jié)點(diǎn)功耗的作用，因?yàn)槠涔╇娸斎胗呻娫茨K控制，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)電源模塊關(guān)斷補(bǔ)償電路的供電使能，使其停止工作，最大程度降低電流。

2 低功耗策略設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗分析

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限是限制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的重要原因之一，對(duì)能量消耗進(jìn)行系統(tǒng)分析并提出低功耗策略是解決能量受限的主要方法[16]。

圖4 K型熱電偶冷端補(bǔ)償電路

從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信協(xié)議和工作內(nèi)容出發(fā)，對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分析，節(jié)點(diǎn)能量消耗的主要原因有以下兩點(diǎn)：1)空閑偵聽(tīng)，節(jié)點(diǎn)的主要能量消耗集中在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收部分[17]，射頻模塊處于接收狀態(tài)時(shí)能量消耗最大，遠(yuǎn)大于休眠或待機(jī)模式下的能量消耗[18]。節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)監(jiān)聽(tīng)遠(yuǎn)端的指令時(shí)并沒(méi)有執(zhí)行傳輸任務(wù)，卻有大量的能量被消耗。2)數(shù)據(jù)沖突，兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)信道，會(huì)在接收節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，互相干擾對(duì)方的無(wú)線信號(hào)，影響接收節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[19]。重傳發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)，除了增加傳輸延遲外，還會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量消耗[20]。

為降低節(jié)點(diǎn)能耗，本文設(shè)計(jì)了停機(jī)和運(yùn)行兩種工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行狀態(tài)下有工作、待機(jī)和休眠3種工作模式,如圖5所示。在接口插入對(duì)應(yīng)儲(chǔ)運(yùn)插頭，無(wú)線傳感器處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)電流低于1 μA。

圖5 無(wú)線傳感器工作轉(zhuǎn)換示意圖

2.2 工作模式低功耗策略

為保證多路傳感器在時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本文在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)之前，在PC端設(shè)計(jì)時(shí)隙表，并通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)數(shù)時(shí)間區(qū)間發(fā)送出去，子節(jié)點(diǎn)收到后配置自身的發(fā)數(shù)區(qū)間。如圖6所示，為避免通道干擾，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其他節(jié)點(diǎn)不與中心節(jié)點(diǎn)通信，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工作狀態(tài)后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)定的發(fā)數(shù)區(qū)間依次向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

圖6 網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙示意圖

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，相鄰數(shù)據(jù)包之間的發(fā)射間隔不少于10 μs，節(jié)點(diǎn)間的通信安全區(qū)間不少于20 μs。節(jié)點(diǎn)在備用時(shí)間區(qū)間里可與中心節(jié)點(diǎn)建立雙向通信維護(hù)時(shí)鐘同步、修改節(jié)點(diǎn)參數(shù)等。

子節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到中心節(jié)點(diǎn)發(fā)射的提數(shù)命令后進(jìn)入工作模式，工作模式下節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖7所示，節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)定時(shí)器結(jié)束時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，同時(shí)自動(dòng)重裝載定時(shí)器數(shù)值，進(jìn)行下一輪的采樣。定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)在初始化階段根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)下發(fā)的時(shí)隙表進(jìn)行配置。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有子節(jié)點(diǎn)需嚴(yán)格按照時(shí)隙表周期性發(fā)射數(shù)據(jù)。由于發(fā)射的速率大于采樣頻率，對(duì)于時(shí)分復(fù)用的系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)所需的時(shí)間只占一個(gè)時(shí)隙表的小部分時(shí)間區(qū)間T0，節(jié)點(diǎn)在剩余的時(shí)間區(qū)間T1內(nèi)無(wú)需發(fā)射數(shù)據(jù)，如圖8，因此降低節(jié)點(diǎn)T1時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)工作電流是節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量、延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵要素。

圖7 子節(jié)點(diǎn)工作流程圖

圖8 節(jié)點(diǎn)時(shí)隙圖

Si24R1芯片的工作機(jī)制為工作在T1時(shí)間段內(nèi)射頻模塊提供了3種可供選擇的低功耗模式——待機(jī)模式Standby、發(fā)射空閑模式Idle-TX和關(guān)斷模式Shutdown，不同模式下功耗不同，如表2所示，射頻模塊發(fā)射功率為0 dBm。

表2 Si24R1不同模式下的功耗

為了減少節(jié)點(diǎn)在T1時(shí)間區(qū)間內(nèi)的能量損耗，降低節(jié)點(diǎn)平均工作電流，本文基于時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)提出一種低功耗策略：

本文設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)在T0時(shí)間區(qū)間內(nèi)發(fā)射前一周期(T秒)內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，如圖8所示,發(fā)射完畢進(jìn)入T1時(shí)間區(qū)間，射頻模塊由發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為低功耗模式，其工作電流從毫安級(jí)下降至微安級(jí)。進(jìn)入下個(gè)周期T前，射頻模塊由低功耗模式轉(zhuǎn)為發(fā)射模式。

首先，將教材中不完整的主題圖修改，呈現(xiàn)了三個(gè)完整的方陣（見(jiàn)圖2），并將文字信息（三個(gè)方陣，每個(gè)方陣的行列人數(shù)等信息）滲透于圖中。這時(shí)孩子們發(fā)現(xiàn)，信息和收集信息的速度和準(zhǔn)確率非常高，很快切入教師預(yù)設(shè)的主題。

射頻模塊的模式轉(zhuǎn)換路徑如圖9所示，退出關(guān)斷模式需要1.5～2 ms的轉(zhuǎn)換時(shí)間。對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)度高的高頻信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，周期T可能只有幾十毫秒，2 ms的轉(zhuǎn)換時(shí)長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重影響采樣數(shù)據(jù)密度，使得部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度下降。因此，對(duì)于低頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)，可選擇關(guān)斷模式作為射頻的低功耗模式，對(duì)于高頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)，則選擇待機(jī)模式，以免頻繁切換模式降低傳輸數(shù)據(jù)的完整度。

圖9 射頻模塊模式轉(zhuǎn)換路徑

為了計(jì)算并表示“工作”模式下的平均電流，射頻模塊不同模式下電流表示如表3，傳感器工作電流Isens，控制模塊工作電流Irun。

①普通節(jié)點(diǎn)整個(gè)工作周期T內(nèi)射頻模塊在一直處于發(fā)射模式，平均工作電流為：

Iaver1=Irun+Itx+Isens

(6)

②本文節(jié)點(diǎn)采用此低功耗策略，平均工作電流為：

(7)

兩種平均工作電流的差值為：

Id=Iaver1-Iaver2=(Itx-Ilp)(1-T0/T)

(8)

已知射頻模塊的發(fā)射電流一定大于待機(jī)電流，(Itx-Ilp)>0，所以只有滿足約束條件式(9)時(shí)，才能保證Id為正值，休眠策略才能起到降低功耗的作用。T0=T時(shí)，此時(shí)休眠時(shí)間區(qū)間T1= 0，節(jié)點(diǎn)不具備執(zhí)行休眠策略的條件，Id= 0。

T>T0

(9)

在發(fā)射速率一定的條件下，采樣的數(shù)據(jù)量越大，發(fā)射完成所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。為了保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，需保證T0至少大于節(jié)點(diǎn)發(fā)射一周期數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。為了得到采樣頻率fs和T0的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 Byte，每包有效負(fù)載長(zhǎng)度XByte(X<=32)，射頻模塊傳輸一包有效數(shù)據(jù)的時(shí)間為tTX，對(duì)發(fā)射時(shí)間區(qū)間T0進(jìn)行約束：

(10)

將式(10)帶入式(9)得到式(11)，只要采樣頻率fs滿足式(11)，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)就能在周期內(nèi)傳輸完成，使得節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性得以保證。

(11)

同時(shí)滿足約束條件式(9)、(10)的平均工作電流差值的表達(dá)式：

(12)

平均工作電流Id越大，本文休眠策略降低功耗的效果就更顯著。分析式(12)，Id和節(jié)點(diǎn)fs成正相關(guān)，因此，得出結(jié)論：本文休眠策略的低功耗效果和節(jié)點(diǎn)的采樣頻率有關(guān)，采樣頻率越低，節(jié)省的節(jié)點(diǎn)能量越多，低功耗效果越好。

2.3 分級(jí)監(jiān)聽(tīng)策略

本文設(shè)計(jì)了分級(jí)監(jiān)聽(tīng)策略減少節(jié)點(diǎn)在非工作模式下監(jiān)聽(tīng)中心節(jié)點(diǎn)消耗的能量。每隔10 s監(jiān)聽(tīng)一次定義為待機(jī)模式，每隔600 s監(jiān)聽(tīng)一次定義為休眠模式，待機(jī)模式的監(jiān)聽(tīng)等級(jí)高于休眠模式。工作模式下收到待機(jī)命令或長(zhǎng)期(設(shè)置時(shí)間10 s)未收到命令信息，自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，收到休眠指令，則進(jìn)入休眠模式。

2.3.1 待機(jī)模式

節(jié)點(diǎn)在待機(jī)模式下，每10 s監(jiān)聽(tīng)27 ms(根據(jù)實(shí)際情況修改)，收到數(shù)據(jù)提取命令自動(dòng)進(jìn)入工作模式，收到休眠指令，則進(jìn)入休眠模式。

2.3.2 休眠模式

節(jié)點(diǎn)在休眠模式下，每600 s監(jiān)聽(tīng)27 ms，收到待機(jī)命令，自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，收到數(shù)據(jù)提取命令，自動(dòng)進(jìn)入工作模式。相對(duì)于待機(jī)模式，休眠模式無(wú)需監(jiān)聽(tīng)的時(shí)段更長(zhǎng)。

GD32E230C8T6存在多種低功耗模式，考慮到節(jié)點(diǎn)每項(xiàng)功能的可行性，本文選擇低功耗模式時(shí)考慮了GD32E230C8T6不同低功耗模式的喚醒條件、喚醒延遲等參數(shù)，喚醒條件如表3所示。

為了降低節(jié)點(diǎn)功耗，減小節(jié)點(diǎn)體積，本文節(jié)點(diǎn)沒(méi)有設(shè)計(jì)專門的存儲(chǔ)模塊，因此節(jié)點(diǎn)配置參數(shù)、臨時(shí)采樣數(shù)據(jù)等信

表3 GD32E230C8T6低功耗模式

息都保存在GD32E230C8T6的SRAM中。雖然核心處理器處于待機(jī)模式下的電流只有3.6 μA，但被喚醒時(shí)SRAM會(huì)被擦除。深度睡眠模式的功耗比睡眠模式更低且可以利用RTC喚醒。綜上考慮，本文設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)在待機(jī)模式下，MCU處于深度睡眠模式，射頻模塊處于關(guān)斷模式，關(guān)閉傳感器相關(guān)電路；節(jié)點(diǎn)在休眠模式下，MCU處于深度睡眠模式，射頻模塊和傳感器相關(guān)電路都被關(guān)閉。

3 測(cè)試與分析

對(duì)節(jié)點(diǎn)在“工作”模式下的低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，將節(jié)點(diǎn)放入測(cè)試環(huán)境實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：采樣頻率為5.12 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為2 Mbps，發(fā)射功率為0 dbm，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 Byte，有效負(fù)載長(zhǎng)度為26 Byte。

為了設(shè)置發(fā)射區(qū)間長(zhǎng)度T0，首先需要對(duì)本文節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊測(cè)試，為保證無(wú)線通信的實(shí)時(shí)性，周期盡可能短，經(jīng)計(jì)算取T為25 ms。測(cè)試結(jié)果如表4所示。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的通信安全間隙為20 μs，所以T0等于4.92 ms，T1等于20.08 ms。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)量與傳輸時(shí)間

測(cè)試節(jié)點(diǎn)工作模式下的運(yùn)行電流I0,0和待機(jī)電流I0,1：控制器使能各個(gè)模塊正常工作，節(jié)點(diǎn)以T為一個(gè)大周期，周期性向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集的溫度數(shù)據(jù)，測(cè)得I0,0=32.2 mA，I0,1=22.4 mA。

平均工作電流：

(13)

用兩節(jié)鋰電池組供電，總?cè)萘?.0 A·h，認(rèn)為容量低于85%時(shí)的電壓不再適合給節(jié)點(diǎn)供電，節(jié)點(diǎn)在工作模式下的電池使用時(shí)長(zhǎng)：

(14)

將本文節(jié)點(diǎn)與Imote節(jié)點(diǎn)、Mica2節(jié)點(diǎn)[21]對(duì)比，分別代入式(14)計(jì)算節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命，如表5可知本文節(jié)點(diǎn)功耗更低，運(yùn)行壽命更長(zhǎng)。

改變節(jié)點(diǎn)采樣頻率在同樣的測(cè)試環(huán)境下測(cè)試運(yùn)行電流和待機(jī)電流，帶入式(13)和式(14)，得到節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命Tbat和采樣頻率fs的關(guān)系，如圖10所示，采樣頻率越低，本文低功耗策略延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命越長(zhǎng)，低功耗效果更顯著。

表5 本文節(jié)點(diǎn)、Mica2和Imote節(jié)點(diǎn)工作電流

圖10 采樣頻率對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于熱電偶無(wú)線傳感器進(jìn)行了低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種適用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的低功耗策略，設(shè)計(jì)了一種低功耗熱電偶無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。硬件電路方面，選用低功耗處理器芯片和射頻芯片，設(shè)計(jì)了電源管理電路動(dòng)態(tài)管理節(jié)點(diǎn)各組件的電源，優(yōu)化K型熱電偶信號(hào)調(diào)理電路和冷端補(bǔ)償電路，在冷端補(bǔ)償精度滿足項(xiàng)目需求的基礎(chǔ)上降低了電路能耗；軟件設(shè)計(jì)方面，提出了一種降低運(yùn)行能耗的策略，推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)功耗和采樣頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系，證明了低采樣頻率的節(jié)點(diǎn)采用此策略降低能耗的效果更顯著。非工作模式則采用分級(jí)監(jiān)聽(tīng)策略，進(jìn)一步降低空閑節(jié)點(diǎn)能耗。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試表明，本節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，功耗較低，具有一定的工業(yè)價(jià)值。