1 节点硬件设计

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度的双向无线通信技术，适用于无线传感器网络。目前，多家公司均有自己的主流ZigBee芯片，如表1所示。经综合比较，该设计选用CC2430芯片，该芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee协议的SoC解决方案，它在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器，最大27 mA的工作流耗及在休眠模式下0．9μA的流耗使之非常适合无线传感节点对低功耗的要求。

在此采用深圳金图旭昂有限公司的TSZ-CC2430开发系统，移植美国密西西比大学的精简ZigBee协议栈，以CC2430芯片为核心设计一种用于环境监测的温湿度传感节点，通过软硬件设计方法实现传感节点的低功耗目标。硬件连接如图1所示，射频芯片CC2430集成了处理器模块和无线通信模块，大大简化了射频电路的设计。

温湿度传感器SHT10的工作电压为2．4～5．5 V，测湿精度为±4．5％RH，25℃时测温精度为±0．5℃。SHT10采用两条串行线与处理器进行数据通信，串行时钟线SCK负责两者通信同步，数据线DATA用于数据的读取。DATA在SCK下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平，故DATA线采用10 kΩ的上拉电阻。

对于供电模块，最初设计时考虑节点体积因素，拟采用钮扣电池。但在后来测试中发现，容量为210 mAh的CR2032型钮扣锂电在节点启动瞬间，电池电压立即由3．0V下降到2．4V，难以驱动传感节点正常工作。分析原因是CC2430射频工作时流耗超出电池的带负载能力，故采用2节普通7号电池提供3．3V电源。

2 节点软件设计

节点程序主流程如图2所示，主要包括数据采集和无线通信两个部分。出于传感节点低功耗的考虑，软件设计重点放在工作模式的处理上。

节点能耗绝大部分消耗在无线通信部分，传感节点使用无线方式传输1 b到100 m远所消耗的能量可供执行3 000条指令。可见，如何有效传输数据，合理安排工作休眠时间对于节约传感节点能耗有着直接影响，这也是软件设计应重点考虑的问题。

为了实现传感节点的低功耗以及更优的测量性能，设计时采用工作模式的选择，通过无线配置传感节点的工作参数，使节点能够按照实际需要控制采集的时机和速率，从而降低能耗，以延长节点寿命。节点工作分空闲模式、触发模式、主动模式3种。其中，空闲模式下的节点大部分时间处于休眠状态，只是周期性的唤醒检查有无来自服务器的控制命令，以更好地节约能耗；触发模式下RF关闭，只有当传感器测量值达到设定门限后才触发RF进行无线数据收发，同时可以根据不同的门限选择相应的采样率，适用于如森林火灾等突发情况的监测和预警；主动模式下传感节点按配置的采样率进行数据采集发送，周期性转入休眠并自动唤醒。模式选择及相应参数配置均来自传感器网络服务器。对传感节点而言，该项工作是在无线接收过程中完成的。

3 低功耗测试

鉴于功耗测试特点，传感节点工作模式设置为主动模式，即节点周期性地进行采集、发送、休眠，获取不同阶段的工作参数，依据一定方法进行寿命预测和验证。

通过测试获取节点工作参数如表2所示，工作电压为3．3 V。可知，节点工作时流耗大，在休眠状态则小得多。因此，为保证在供电电量有限的情况下获得更长的工作寿命，有必要将节点设置为间歇式工作模式，即工作休眠周期性交替进行。下式为节点寿命预测公式：

式中：Td为节点可工作天数；Qb为可用电池容量；tw为每周期内工作时长；ts为每周期内休眠时长；Iw为工作电流；Is为休眠电流。根据预潮公式及假定电池可用容量为1 000 mAh，可以预测在不同休眠时长下的工作天数如表3所示。对特定的传感节点，其单周期内数据采集、处理、发送所占用的工作时长是一定的，可变的就是休眠时长，通过控制传感节点不同的休眠时长来获取其相应的工作寿命特性。由表3可知，随着休眠时长的增加，节点工作寿命随之延长，当休眠时长为60s，即1 min进行1次数据采集发送时，传感器节点能够连续使用约1年时间。

在实际测试过程中，采用孚安特锂电ER14250H和普通7号南孚碱性电池进行比对实验，前者电池容量为1 200 mAh，后者无容量标识，但根据其官方网站测试说明，估计亦在1 200 mAh左右。考虑长时间测试中电池自放电效应，其实际可用容量必定要小些，仍采用1 000 mAh假定值的预测结果进行比较。实验得到节点实际可工作天数如表3所示，测试结果与预测趋势大体上是一致的，传感节点可工作天数与其在一个工作周期内的休眠时长相关。所以，为延长传感节点寿命，有必要根据实际情况确定节点的工作休眠时间，在保证网络稳定性、数据可靠性的前提下尽量安排更多的休眠时间。另外，在组网测试中，传感节点单跳距离约60 m，自组织特性良好，传感节点可以选择较优路由入网，服务器对终端传感节点的数据获取、监测、控制功能均正常。

4 结语

本文介绍了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计与实现，并进行了测试。实验结果表明，传感节点具备低功耗特性，能够通过无线实施灵活的测量和控制，满足无线传感器网络要求。同时，节点设计方法有一定参照价值，便于移植和改进，可用于其他参量的测量与控制。诚然，降低功耗可以延长无线传感器网络节点的使用寿命，如果能够利用诸如光照、风力、震动等外界能量，从而使传感节点有效地自我补给，这对于野外部署的无线传感器网络将有着积极意义。