低功耗无线传感器节点方案：可持续监测振动

无线传感器网络通常是由许多传感器节点组成的自组织网络。节点具备无线通信能力，既要负责环境信息的采集、处理，也要收、发自身和网络的数据，除了成本、尺寸限制导致其处理和存储能力有限外，因采用电池供电，而电池不便更换，使节能成为其核心问题。在构成节点的4个模块中，传感器模块通常被认为具有低功耗的特点，并且现有的研究基本上只考虑处理器和通信的节能。有限的供电使无线传感器网络仅适用于非实时环境监测。事实上，一般传感模块的功率远低于通信模块的功率。然而，当传感器需要连续工作时，如在工业过程、设备或环境状态监测中，在需要检测动态信号的情况下，由于实际通信时间相对较短，传感模块的能量消耗不小于通信模块。此外，对传感器的性能要求越高，其能耗越大。现有的无线传感器节点难以适应实时性要求高或连续工作的场合。

以面向设备状态监测等要求实时性和长时间监测的振动检测节点装置的低功耗设计为例，说明在现有传感器网络所涉及的基础技术上，通过传感器件的组合与系统工作方式设计，实现在符合性能要求的基础上，达到长时间持续工作的目标。同时，借此例说明解决用于目标探测、状态监测等在线实时应用时节点节能的可能思路和途径。

（一）传感模块的节能技术特点

在一般的节点低功耗设计中，传感模块以低占空比方式运行，因此在无线传感器节点的低功耗技术研究中，大多忽视了传感模块，缺少对该模块工作的低功耗设计。由于无线传感器技术的发展和面向实时应用的需求，实际中有许多场合需要对振动信号进行持续不间断的在线监测。对于持续监测信号，即使采用了低功耗集成传感器件，传感模块的能耗占节点总能耗的比例也很大，因此要根据任务需求和传感器特点进行低功耗设计。

传感器的种类很多，工作原理和组成也不尽相同。根据能量关系，传感器可分为自源型和外源型。自源型传感器的输出直接从被测量转换而得，不需要激励电源。然而，由于信号微弱，测量精度通常低于外源型传感器的测量精度。在目标检测和状态监测场合，虽然使用高精度的外源型传感器可以符合精度要求，但是当目标的出现不可预测时，用这种传感器进行连续监测会使节点电池能耗太大，不能满足长时间工作的要求。使用自源型传感器可以显著降低节点能量消耗，延长节点寿命，但其测量精度和带宽往往不足。在这个阶段，仍然缺乏高性能和低功耗的传感器件，并且通常只能从节点设计中找到兼顾性能和节能的方法或方案。

无线传感器节点的不同模块有不同的工作电流或电压，同一模块在不同工作状态下的电流也不同。从节能角度考虑，节点各模块必须具有功耗不同的工作形式和工作电压，所以一定要调整电源。此外，节点上选择类型不同的电池，会导致电池本质上的非线性特性和输出电压范围不同。为了给各模块提供平稳不变的电压，并且能够有效使用电池电能，必须实施高能效的升压、降压或升/降压稳压的调节。负载变化和电池特性让节点电源调整器的输入、输出保持在不断变化的状态中，其中输出电流的变化比较大。这就要求节点电源与管理既要满足节点运行与性能所需的电源规格和质量要求，还要适应节点其他模块的负载变化，并能及时提供所需的电压和电流，降低从高负载到空载的电源功耗，提高能效。目前大多数节点直接由电池供电，一些典型的节点平台只配备线性电压调节器，以维持电池的稳定电压输出，未实现电源模块的节能。

（二）实现节能的节点构成设计

鉴于现有传感器技术实现低功耗的技术途径有限，一般的应用设计只能以现有低功耗元器件为基础，在应用层面进行低功耗设计。根据某设备运行安全状态信息监测项目对振动信号的检测要求，针对目前传感模块低功耗设计方面的欠缺与不足，这里给出一种从节点的传感模块的组成结构和工作方式方面综合设计的能兼顾性能与节能的方法和方案。具体地说，它是一种用于连续监测振动的低功耗无线传感器网络节点设备方案，使节点能够满足有效地对振动信号进行实时监测以及数据处理和传输要求，并通过有效的整体节能管理设计达到长期连续工作的要求。

可持续监测振动的低功耗无线传感器网络节点装置由微处理器模块、电源模块、通信模块和传感模块等组成。微处理器是节点的核心，其他模块连接到微处理器，并由微处理器控制。

该节点各模块以及各模块内关键器件的供电与信息流的控制功能结构设计目的是使各模块中主要耗能的功能器件的工作与供电全部由处理器感知和控制，以实现高效节能管理。节点电源以锂电池为主，太阳能电池为辅。2种电池的输出分别接受控于微处理器的第一模拟开关的2个输入端，第一模拟开关的输出端经稳压器接微处理器的电源接口。锂电池的输出接二极管正极，二极管负极接电源模块输出端。节点装置刚启动时，模拟开关还不起作用，此时，锂电池通过二极管为微处理器供电。当无线传感器网络节点装置稳定工作时，二极管支路就不再起作用。另外，还设有一个超级电容器与太阳能电池并联，以增强节点的储能能力。

节点的传感模块包含2种器件：性能不高但功耗极低的自源型敏感器件以及功耗相对大但性能高的外源型敏感器件。模块的结构：自源型振动传感器的信号输出端经第一运算放大器与微处理器的信号输入端相接，自源型振动传感器的信号输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接可由数控电位器设定比较阈值的参考电压电阻分压电路输出端，比较器的输出端接微处理器的中断口。外源型加速度传感器的信号输出端经第二运算放大器与微处理器的另一个信号输入端相接；外源型加速度传感器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关的一个开关通道连接到电源模块的输出端口；第一运算放大器的电源端经受控于微处理器的第二模拟开关的另一个开关通道连接到电源模块的输出端口。

节点采用具有超低功耗的微处理器MSP430F1611，电压调整稳压器选用在小负载下能维持高能效的集成升/降压稳压器TPS63030，自源型加速度传感器由压电振动元件MiniSense 100结合低功耗比较器TLV3492和运算放大器构成，外源型加速度传感器选用低功耗集成器件ADXL202，第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关均选用超低功耗的集成电子模拟开关ADG821，第一运算放大器和第二运算放大器均采用低功耗集成芯片TLV2402，无线通信器件选用集成模块CC2520，参考电压源采用REF1112，节点的工作电压为3V，即电源模块输出端口的输出电压为3V。

节点的通信模块结构：无线通信器件通过受控于微处理器的第三模拟开关连接到电源模块的输出端口，无线通信器件与微处理器相接。

（三）模块电路设计

压电振动传感器MiniSense 100（以垂直方向为例）的调整电路包括整流电桥、低功耗比较器和低功耗集成运算放大器。首先对压电振动元件的电压输出进行整流，然后连接到比较器U13C的负输入端和集成放大器U7C的正输入端，U7C的输出端连接到微处理器的A/D转换器接口，实现对电压振动元件输出电压的采样。比较器的正输入端接参考电压，该受控参考电压电路包括低功耗参考电压源U10C和数字电位器U14C，通过微处理器的27脚、28脚控制参考电压电路的输出电压值。当超阈值振动信号出现时，比较器的输出端1脚和7脚分别连接到微处理器的中断口17脚和19脚，并且微处理器被中断模式唤醒，然后微处理器通过低功耗模拟开关U5C的第二通道为自源型压电振动传感器中的运算放大器供电。从而对自源型压电传感器的输出进行采样。若采样结果表明该信号强度大于阈值，就认为设定的目标信号出现，此时选通低功耗模拟开关U5C的第一通道，启动高精度外源型加速度传感器。

通过比较器的输出端唤醒处于休眠状态的微处理器，并使自源型压电振动传感器中的运算放大器（TLV2402中的第一运算放大器）通过模拟开关与电源输出端相接，一方面是为了避免误动作触发中断，微处理器进一步对自源型压电传感器的输出进行采样的目的之一就是检査是否有误动作发生；另一方面是为了节能，即第一运算放大器平常不供电，只是在需要采用的时候才供电启动，这样就能显著地降低能耗。

图7-2为了节点的自源型压电振动元件和整流电桥电路图。采用压电振动元件MiniSense 100对某一方向的振动信号进行检测，电压灵敏度为1V/g。压电传感器接口J8C连接到节点主板压电信号接口J9C，用于将输出电压传送到主板上的低功耗比较器U13C。根据实际需求将本电路安装至不同位置及方向上，即可实现多维振动探测。例如，实际需求中需要探测垂直方向与水平方向的振动信号，即二维振动探测，则可使用2个该种电路，分别安置于垂直方向与水平方向。同理，若需要三维或更多维的振动探测，只要将3个或更多该电路分别安装于需要探测的位置及方向即可。

图7-2　压电振动元件及整流电桥电路图(www.xing528.com)

图7-3是节点装置的外源型振动传感器的电路图。加速度传感器接口J1C连接到节点主板加速度信号接口J3C。本例中的多维加速度传感器为双轴加速度计ADXL202E，工作电压为3～5.25V，工作电流为0.6mA，测量范围为±2g，灵敏度为167mV/g，功耗相对偏大，但测量精度高、频带宽，其输出接RC滤波电路，再由低功耗放大器U2C放大并发送到加速度传感器接口J1C，微处理器将P1.3对应的I/O端口置高电平，从而选通低功耗模拟开关U5C的第一通道，即U5C的第二引脚连接到提供给加速度传感器的3V电源，启动加速度传感器，获得高精度的测量数据；反之，如果微处理器将对应于P1.3对应的I/O端口置低电平，则关闭了加速度传感器的3V电源，即关闭了该传感器。

图7-3　外源型振动传感器电路原理图

图7-4为节点的无线模块控制示意图，MSP430F1611与无线模块通过电源控制线、数据线以及控制线连接。无线模块周期性地监听信道，若无接收数据，则微处理器发出休眠命令，使无线模块转入低功耗休眠方式，若有数据发送，则发送完毕时转入休眠方式。为进一步节能，可采用电源控制线，输出一低电平，即可断开低功耗模拟开关ADG821的选通通道，使无线模块处于断电状态。

图7-4　微处理器与无线模块通信控制接口电路

图7-5为节点的电源模块电路图。电源调整采用升/降压调节器TPS63030。当输入电压为3V时，输出电流达到500mA，在节能模式下，当输出电流降低到1mA时，仍能使能效保持在85%以上。宽输入电压范围的太阳能电池接口J13C，超级电容接口J14C和可充电锂电池接口J15C分别接太阳能电池、超级电容以及充电锂电池。3V电压输出端口J16C和电源模块控制端口J17C分别连接到微处理器的3V电压输入口J2C和处理器模块电源控制口J12C。当节点设备通电时，锂电池的输出电压直接通过二极管和电阻降压（低于3V）后传送到微处理器，从而启动微处理器。然后，微处理器控制低功耗模拟开关U17C，即1个ADF821加半个ADG821来实现供电管理，从而在太阳能电池、锂电池和直接输出与通过稳压器调整稳压输出等供电方式之间进行选择，达到控制电源供电的目的，从而最大限度地提高电源效能，延长使用寿命。

图7-5　节点的电源模块电路图

以节能为主要目标的节点供电方式选择策略如下。

1.太阳能电池电压大于3V时，微处理器31脚置高电平，太阳能电池负责供应电量；太阳能电池电压小于3V而大于TPS63030的最低输入电压时，微处理器30脚、32脚置高电平，使太阳能电池的电压输出通过TPS63030调节为3V的平稳电源，从而为节点供电；太阳能电池电压小于稳压器的最小输入电压时，不能采用太阳能电池。

2.不使用太阳能电池时，当锂电池电压高于3.3V（3V+0.3V），或低于3V但仍高于TPS63030的输入电压下限时，微处理器32脚置高电平，开启TPS63030，把稳压器的输出当作节点现在的电源；如果锂电池电压小于3.3V且不低于3V时，直接使用锂电池作为供电源；若锂电池电压低于TPS63030的输入电压下限值，则表明节点的电能已经全部耗尽。

由于需要判断太阳能电池和锂电池的电压，因此必须有测量太阳能电池和锂电池电压的相关电路，且将测量的信号送入微处理器进行处理，这部分电路为现有成熟技术。

（四）主要节能设计与效果分析

本节点方案以保证性能为前提，以低功耗方式实现对振动信号的持续监测，延长节点使用寿命，主要节能设计及效果体现在3个方面。

1.采用自源型与外源型传感器协同工作方式降低传感模块功耗。现有无线传感器节点采用的即便是低功耗的外源型集成传感器件，相同性能下其工作电流最低也在0.3mA以上，属HA级，采用3.3V工作电压，则其功耗在1～10mW之间。若传统节点应用在持续工作场合，当其工作时间提高10倍，如由1s提高到10s，则传感模块能耗（按1mW计）由1mJ增至10mJ。本方案供电电压为3V，以自源型传感器探测目标信号，若无目标事件出现，外源型传感器保持休眠状态，仅有自源型传感器的比较电路耗能（＜2μpW），其10s能耗＜200μJ；若目标事件发生，则启动外源型传感器以获得高精度测量数据，若外源型传感器休眠时间与工作时间相同（50%占空比），则10s内的传感器模块能耗仅增加至4.7mJ（4.5mJ+0.2mJ=4.7mJ），不到传统节点传感模块能耗（10mJ）的一半。目标事件属低概率事件，需要高精度测量的情况很少，因此若以事件发生概率为1%计，则本节点的传感模块的能耗（平均功耗）可低达传统节点的1/41（0.45×0.01+0.02×1≈1/41）。

2.采用低功耗模块开关切换节点电源的供电方式提高电源能效。传统节点大多使用电压调整器以固定方式为其他模块提供稳定电压，但电压调整器的能效随负载变化，小电流下一般电压调整器的平均能效大多不超过75%。节点以锂电池和太阳能电池为主、辅电源，选小负载下能保持高效（85%以上）的电压调整器，根据节点负载及太阳能电池的电压动态选择电压调整供电方式，使电源模块平均能效高于85%。

3.无线通信模块动态管理。无线通信模块周期性地监听信道，无数据时由微处理器控制，转入低功耗休眠模式，有数据时，则在发送完毕后转入休眠模式。为进一步节能，由微处理器的I/O口控制低功耗模拟开关，切断无线通信模块的电源供应。