基于可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

黃曉甫 林秋蘭 趙敬宣

(北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,北京 100144)

0 引言

步入新世紀(jì)以來,5 G技術(shù)的推廣應(yīng)用帶動了可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)在人們的日常生活中越來越普及。部署在野外的傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外監(jiān)測系統(tǒng),通常由分布在環(huán)境中的多個傳感器節(jié)點,通過節(jié)點單跳或多跳的方式連接到網(wǎng)關(guān)或基站,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)環(huán)境的遠程監(jiān)測。大大提高了為人們提供智能化服務(wù)的能力,方便了人們的生活。本文主要關(guān)注近年來越來越被重視的一個應(yīng)用領(lǐng)域:可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用場景[1-4]展開研究。

1 可充能傳感器硬件結(jié)構(gòu)

如圖1展示了一個可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),傳感器節(jié)點部署在感測區(qū)域?qū)Νh(huán)境狀態(tài)(如CO2、氮氧化物、溫濕度等空氣指標(biāo))進行監(jiān)測、匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶端?？沙淠軅鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)由眾多可充能傳感器節(jié)點組成,每個可充能傳感器節(jié)點主要由四大模塊組成,分別是能量供應(yīng)模塊、處理器模塊、傳感器模塊射、頻通信模塊。

圖1 可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of rechargeable sensor network

(1)能量供應(yīng)模塊。能量供應(yīng)模塊將可再生能源(如太陽能、風(fēng)能、水能等)轉(zhuǎn)換為電能為節(jié)點提供能量,使傳感器能夠在人煙稀少或者人類無法到達,并且需要進行環(huán)境監(jiān)測的地方(如偏僻、危險的區(qū)域),依賴于自身的儲能和可再生能源,為節(jié)點工作供電。節(jié)點的充能和儲能越多,節(jié)點工作時間越長。能量供應(yīng)模塊的好壞直接決定著可充能傳感器的工作壽命。

(2)傳感器模塊。傳感器模塊包括傳感器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。首先,傳感器負責(zé)進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集(如CO2、氮氧化物、溫濕度等空氣指標(biāo)),并將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(報文信息)。能夠?qū)崟r監(jiān)測外界環(huán)境的變化。然后,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將溫度、濕度、風(fēng)速、光照強度等采集到的模擬信號按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。最后,傳感器模塊將處理好的信息轉(zhuǎn)發(fā)給射頻通信模塊。

(3)處理器模塊。處理器模塊包括處理器和存儲器,該模塊的功能是控制和協(xié)助系統(tǒng)運行。能夠?qū)?jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行計算處理,決定了節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力。不同處理器的計算能力不同,直接影響節(jié)點的工作耗能和節(jié)點的壽命。

(4)射頻通信模塊。射頻通信模塊的功能是支持節(jié)點進行無線通信,將節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)通過無線通信協(xié)議(如IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、Zigbee等)轉(zhuǎn)發(fā)給中繼節(jié)點或者Sink節(jié)點。然后,通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給用戶。射頻通信模塊是傳感器體系中感知層和網(wǎng)絡(luò)層的橋梁。

2 SM14Z2538開發(fā)板接口

SM14Z2538是一款價格實惠且實用的ARM Cortex-M3開發(fā)板,集成TI CC2538處理器,適用于本文部署的可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。TI CC2538是TI公司推出的一款集成ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器,支持6LoWPAN、ZigBee、IEEE802.15.4、IPv6等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。TI CC2538處理器在睡眠模式下電流僅僅為1.3μA,在計算能耗時,可以忽略不計。128K～512K的可擴展閃存存儲器支持智能能源基礎(chǔ)設(shè)施。8K～32K的RAM支持很大的靈活擴展。TI CC2538集成了多個接口,包括JTAG接口、電源開關(guān)、5V電源、USB供電接口、自定義按鍵、復(fù)位鍵、I/O接口、供電方式選擇接口、無線接口、LEDKey I/O擴展接口。其中,天線接口用來連接天線,實現(xiàn)無線傳輸,增加傳輸距離;LED燈由跳線帽連接不同的引腳控制燈的亮滅。SM14Z2538的實物圖如圖2所示。

圖2 SM14Z2538實物圖Fig.2 SM14Z2538 physical drawing

SM14Z2538部分參數(shù)指標(biāo)及器件描述[5]如下:

(1)時鐘速度高達32MHz;

(2)支持512KB、256KB和128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存;

(3)RAM高達32KB;

(4)集成了2.4GHz的IEEE 802.15.4兼容RF收發(fā)器;

(5)功率模式PM1(4μs喚醒時間,32KBRAM保持),電流0.6mA;

(6)功率模式PM2(休眠模式,16KB RAM保持,限壓監(jiān)控),電流1.3μA;

(7)功率模式PM3(外部中斷,16KB RAM保持,限壓監(jiān)控),電流0.4μA;

(8)電源電壓范圍為2.0V～3.6V;

(9)支持Contiki、6LoWPAN、ZigBee。

綜上所述,由于TI CC2538具有低功耗、低時延、低成本、高保密性、開放性、靈活度高的優(yōu)點,能夠支持短距離無線通信,支持從睡眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的快速切換,并且,在休眠模式PM2下,仍然能夠進行限壓監(jiān)控,維持低功耗運行,這一功能大大降低了節(jié)點工作時的能耗,滿足本系統(tǒng)的使用需求。因此,本文在部署可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)時,選用了SM14Z2538。

3 硬件和軟件層面的改進

為了讓可充能傳感器節(jié)點在低功耗模式下長期穩(wěn)定工作,實現(xiàn)低成本免維護的網(wǎng)絡(luò)部署,進行環(huán)境監(jiān)測,本文在硬件層面和軟件層面對SM14Z2538進行了改進,改進后的SM14Z2538如圖3所示。在硬件層面,節(jié)點采用外置全向天線進行無線通信,使用面積為(110*80)mm2的單晶硅太陽能電池板吸收太陽能供電,外接容量為90mAh(額定電壓4.0V)的電容HPC1520進行儲能。為了避免不必要的耗能,去掉了能耗較高的耗能器件,比如:LED燈、穩(wěn)壓芯片、跳線帽、自定義功能按鍵等。在軟件層面,SM14Z2538系統(tǒng)上集成了Contiki操作系統(tǒng)。由于Contiki源代碼的組織很靈活,大大方便了組網(wǎng)工作的順利進行。Contiki操作系統(tǒng)中包含的源代碼文件主要包括a p p s、c o r e、c p u、platform、tools等核心文件。core是Contiki操作系統(tǒng)的核心代碼目錄,包括網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置,文件系統(tǒng)、鏈接庫文件等,cpu是Contiki操作系統(tǒng)的微處理器目錄,包括arm、avr等。為進一步在軟件設(shè)計上實現(xiàn)低功耗,本文通過在core和cpu中分別添加了程序?qū)⑿酒O(shè)置為低功耗模式,在芯片內(nèi)置uip6.c(thingsquare-firmwarecontikicore etuip6.c)文件中加入了可接受遠程控制路由拓撲變化的程序,在lpm.c(thingsquare-firmwarecontikicpucc2538lpm.c)中增加了簡單的周期性休眠程序,即當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時SM14Z2538就進入PM2休眠模式[5],此模式下僅有微安級耗能。

由于在部署傳感器網(wǎng)絡(luò)時,受節(jié)點所處位置的光照強度、濕度、傳輸距離、地理位置等因素的影響,需要考慮不同的傳輸距離、光照強度、地理位置、以及傳感器的工作模式等情況,合理部署可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)。圖3是課題組經(jīng)過對可充能傳感器SM14Z2538的硬件結(jié)構(gòu)調(diào)研后,經(jīng)改進后的SM14Z2538。其中,光伏板的面積(110×80)mm2和光電轉(zhuǎn)換效率18%來自于對工作中的SM14Z2538的實際測量。節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)耗能是基于高準(zhǔn)確度功耗測試儀(Monsoon FTA22)針對TI CC253X芯片的節(jié)點間通信耗能實測得出,節(jié)點接收一次數(shù)據(jù)的耗能是節(jié)點發(fā)送一次數(shù)據(jù)耗能的60%,節(jié)點接收一次數(shù)據(jù)的耗能為0.161J/time,節(jié)點發(fā)送一次數(shù)據(jù)的耗能為0.268J/time。

圖3 改進后的SM14Z2538Fig.3 Improved SM14Z2538

4 結(jié)語

本文主要闡述了可充能傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu),介紹了能量供應(yīng)模塊、處理器模塊、傳感器模塊射、頻通信模塊的主要功能。隨后分析了部署可充能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要考慮的幾個必要因素,根據(jù)實際需求選擇了SM14Z 2538開發(fā)板,集成了TI CC2538處理器和Contiki操作系統(tǒng)。在進行真實網(wǎng)絡(luò)部署時,為了讓節(jié)點在低功耗模式下工作,對SM14Z2538從硬件層面和軟件層面進行了改進。去掉了傳感器節(jié)點上不必要的耗能器件,比如:LED燈、穩(wěn)壓芯片、跳線帽等。加入了設(shè)計程序使芯片能夠在低功耗模式下運行,并對SM14Z2538的耗能進行了實測。實現(xiàn)了讓傳感器節(jié)點只在低功耗模式下進行數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)的目標(biāo)。