基于无线传感器网络的低功耗目标探测系统设计与实现

刘 嵘，陈金刚

（1. 中国人民解放军32021 部队，北京 100094； 2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

无线传感器网络是由大量低成本、低功耗的传感器节点组成的大规模、自组织动态网络。可根据具体应用场景，由传感器节点集成电磁、机械、热能、光学、声音、化学等各类MEMS 传感器，用于感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境信息，如温度、压力、声音、振动、光强度、磁场等物理信号。无线传感器网络因其部署简单、成本低、可靠性高等特点，被广泛应用于工业、农业、环境、医疗和军事等领域[1-5]。龙吟等[6]提出了应用无线传感器网络的月表环境长期无人监测系统构想，将无线传感器网络应用拓展到空间探测领域。

与传统有线和无线网络不同，无线传感器网络的能量受限问题是制约其发展的最大因素。因此，许多研究人员针对具体应用需求开展了无线传感器网络的低功耗设计[7-12]，但大多是从无线传感器节点硬件的低功耗设计出发，而没有尝试从节点休眠、拓扑结构、数据传输协议等角度考虑进行系统总体低功耗设计。

本文设计实现了一种基于无线传感器网络的低功耗目标探测系统，利用磁场、振动、声音等信号变化对移动目标进行探测。同时，针对系统应用需求，从传感器节点芯片选择、节点休眠设计、网络拓扑结构设计和数据传输协议设计等方面出发，进行系统总体设计和低功耗优化，以实现整个系统的低功耗长时间工作。

1 系统组成

基于无线传感器网络的低功耗目标探测系统由传感器节点、网关节点、无线路由器、上位机及数据处理软件组成，具体如图1 所示。

图 1 基于无线传感器网络的低功耗目标探测系统架构Fig. 1 Architecture of low-power target detection system based on wireless sensor network

传感器节点内部集成磁场、振动、声音、温度等MEMS 传感器，用以完成环境数据的采集，并将数据通过内部通信模块发送到网关继而传递到上位机；上位机发送的指令亦通过网关传递到传感器节点。无线路由器主要是用来建立网关节点与上位机的小型局域网，以实现上位机与网关间的通信。上位机及数据处理软件主要用于完成传感器节点的数据收集与处理，同时向节点发送启动、配置、休眠、唤醒等控制指令。

2 传感器节点硬件选型

无线传感器网络节点主要完成信息采集、数据处理和数据回传功能，其硬件平台在逻辑上可以分为传感器模块、处理器模块、通信模块、定位（GPS）模块和电源模块等。具体如图2 所示。

图 2 传感器节点架构Fig. 2 Architecture of the sensor node

2.1 传感器模块

传感器模块是传感器节点的核心，主要用于对目标引起的振动、磁场、声音、温度等环境信号变化进行采集与处理。为了保证传感器节点的隐蔽性和长时间工作，须选用体积小、功耗低的MEMS 传感器。传感器节点内部集成声音、加速度、磁场和温度等MEMS 传感器。

声音传感器由驻极体传声器和信号放大芯片组成。驻极体传声器内部存在一个由振膜、垫片和极板组成的电容器，可利用在声压强作用下振膜与极板之间的距离变化所引起的电容变化，实现从声音信号到电信号的转化。驻极体传声器的电信号放大使用MAX9814 集成放大芯片，这是一款低成本、高性能麦克风放大器，具有自动增益控制（AGC）和低噪声麦克风偏置，由低噪声前端放大器、可变增益放大器（VGA）、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC 控制电路等组成。

基于功耗、尺寸的考虑，磁场、加速度、温度传感器采用的是意法半导体公司的LSM303C 器件。该器件集成了高性能三轴磁场传感器、三轴加速度传感器和温度传感器，可实现1 个芯片同时探测3 种信号。LSM303C 的磁传感器是基于各向异性磁阻（AMR）技术的磁传感器，与基于霍尔效应原理的磁传感器相比功耗低、精度高、线性度好，并且不需要温度补偿；其量程范围为±50 Gs，灵敏度为1.5 mGs。LSM303C 的加速度传感器是电容式加速度传感器，通过电容器极板之间的距离变化引起的电容变化来检测加速度，具有高分辨率、正常和低功耗3 种工作模式，提供±2g、±4g、±8g、±16g等不同的量程，在高分辨率模式、量程±2g的情况下，灵敏度可达0.98 mg。LSM303C 的温度传感器测量范围为-40～80 ℃，灵敏度为1 ℃/□。

2.2 处理器模块

处理器模块主要完成3 部分工作：1）接收来自传感器的测量数据，按要求对数据进行处理和计算，并交由通信模块发送；2）读取通信模块接收的数据和控制信息，进行数据处理操作和对硬件平台其他模块进行控制；3）通信协议处理，完成无线传感器网络中的MAC 和路由协议处理。

处理器模块选用单片机作为控制器。有些单片机专门针对低功耗情况设计，小巧且功能强大，同时内部具有休眠功能。综合考虑这些处理器的处理能力、功耗和外设接口等参数，最终选用STM32 作为无线传感器节点的处理器。意法半导体公司的STM32L431RCT6 芯片是一款基于ARM Cortex-M4内核的处理器，以72 MHz 频率从闪存执行代码，仅消耗12 mA 电流，低功耗模式有7 种，最低功耗模式下消耗电流仅500 μA。该芯片具有256 kByte ROM，64 kByte RAM，最高运行频率达80 MHz，在该频率下具有100 DMIPS 的性能。同时，该芯片可配置各种处理模拟和数字信号的外设，操作简便。

2.3 通信模块

通信模块是无线传感器组网的必要条件，使得独立的传感器节点之间可以相互连接，并能借助多跳将数据传递到汇聚节点。通信模块的选择取决于无线传感器网络协议的选择，目前常用的低功耗无线传感器网络协议主要有ZigBee、LoRa、NBIOT、SigFox 等，表1 汇总对比了各协议的特点。

表 1 不同低功耗协议对比Table 1 Comparison of low power protocol

考虑到系统的自组网、高传输速率、宽工作频段、支持网状拓扑结构等需求，通信模块最终选择支持ZigBee 协议的通信模块。Digi XBee 是Digi公司开发的ZigBee 模块，其工作频段为2.4 GHz、915 MHz、868 MHz，同时兼容802.15.4 协议，可实现Mesh 组网。无线网络传感器节点采用Mesh 网络实现通信，由于Mesh 网络是多跳网络，当多个节点数据跳转时需要很高的带宽；同时，为实现信号目标特征的识别，传感器采样率应不低于10 Hz，故将各个传感器模块最高采样率设置为50 Hz。此外，数据量大，需选取传输速率高的射频模块，而Wi-Fi、蓝牙、遥控等无线设备通常使用2.4 GHz 通信频率，故选用2.4 GHz 的射频模块易受到干扰。基于以上因素综合考虑，最终选用Digi XBee SX 900作为无线网络传感器通信模块搭建Mesh 网络，其工作频率为915 MHz，最高传输速率为150 kbit/s。

2.4 定位模块

传感器节点获得的环境信息只有与地理位置相结合才能实现目标的定位。为了获得各个传感器节点的位置信息，为其配备定位模块。定位模块选取中科微电子公司的ATGM336H-5N 卫星定位模块。该系列模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优点，定位精度可以达到2.5 m，首次定位时间32 s，工作电流小于25 mA。该模块基于中科微第4 代低功耗GNSS SOC 单芯片AT6558，支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS（北斗卫星导航系统）、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO。本设计基于具体应用需求，最终选用北斗卫星导航系统进行定位。

2.5 电源模块

供电单元是无线传感器网络的能量来源，决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。本设计中无线网络传感器节点为单节锂电池供电，电池单体电压3.7 V（满电电压4.2 V）、容量4 A·h，可以满足系统1 次充电至少工作30 天的要求。节点使用5 V USB 进行充电，充电电路选用锂离子电池充电管理芯片LTC4054。LTC4054 是单节锂离子电池用恒定电流/恒定电压线性充电器，内部采用MOSFET架构，无须外部检测电阻和隔离二极管。LTC4054的热反馈设计可对充电电流进行调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下限制芯片温度。

3 网关节点设计

传感器节点与上位机之间通过网关连接，不能直接通信。网关是无线传感器网络与上位机的连接桥梁，其内部集成微处理器、Digi Xbee 芯片与Wi-Fi芯片。网关通过Digi Xbee 芯片与传感器节点进行通信，接收到各传感器节点的数据后，微处理器采用串口转Wi-Fi 模块（USR-C322）与Wi-Fi 芯片连接通信，同时上位机也与该Wi-Fi 芯片连接通信，最终经相关配置后可将传感器采集的数据传输到上位机。网关节点架构如图3 所示。

图 3 网关节点架构Fig. 3 Architecture of the gateway node

4 网络拓扑和数据传输协议设计

传感器节点的功耗主要包括：传感器节点的数据采集与处理的功耗；数据通信的功耗。而数据通信所需的能量要远远大于数据采集与处理所需要的，合理的网络拓扑结构和数据传输协议可以大大降低数据通信的功耗，有效延长整个系统的寿命。

4.1 节点休眠设计

在对目标区域进行探测时一般要布设大量的无线传感器节点，这些节点如始终处于工作状态在设计上是不经济的，因此可以考虑在不明显降低网络质量的情况下让一部分节点转入休眠状态，安排节点轮流工作，以降低无线传感器节点及网络的能量消耗，延长网络的工作时间。即无线网络传感器节点在实际使用中不会持续工作，只有当特定事件发生引起探测的物理量超过某一阈值后，传感器节点才会被触发唤醒，进行数据传输。节点休眠状态下的功耗极低，可最大程度节省能量。

4.2 网络拓扑结构设计

为了保证整个系统的可靠性和抗干扰性，系统采用网状拓扑结构。节点采用的Digi Xbee 通信模块支持ZigBee 协议和其自有协议DigiMesh。如图4 所示，这2 种协议都支持网状拓扑结构，但有所区别：ZigBee 协议的网状拓扑结构是一种分簇网状结构，网络中的节点被分为终端节点和路由节点，终端节点只负责数据采集，功耗低，且可以进入休眠状态；路由节点负责维护路由和数据报文转发，功耗高，且不能进入休眠状态，因此路由节点会成为整个ZigBee 协议网络寿命的瓶颈。DigiMesh协议中的网状拓扑结构是一种对等式网状结构，所有的节点都既可以是终端节点也可以是路由节点，每个节点都具有路由功能，且允许休眠。与ZigBee 协议须时刻维护路由表不同，DigiMesh 协议的路由只在需要时建立，因此，整个DigiMesh 协议网络的功耗更加均衡，从而可进一步延长系统的运行时间。

图 4 网状网络拓扑结构的2 种协议Fig. 4 Two kinds of protocol of mesh network

4.3 数据传输协议设计

Digi Xbee 模块单个报文最大长度为256 个字节，而传感器单次采样的磁场、声音、加速度、温度数据总共只占16 个字节，如果每个采样周期都进行数据发送，会造成报文空间的浪费，也会增加数据的发送频次；在数据高采样频率情况下，单次发送会造成无线数据链路拥堵、数据丢失甚至模块死机，因此在数据传输时将多次采样数据按最大打包字节长度进行打包后一次性传输，以降低数据发送频率和频次。为确保通信高效、可靠，本文设计了一套专用的数据传输协议，采用统一的数据传输帧格式（见表2），通过帧标识确定该帧类型，上位机软件通过该协议与网关通信，实现对节点的监控与配置。

表 2 数据传输帧格式说明Table 2 Frame format for data transmission

5 数据处理软件设计

为实现整个系统的管理和数据处理，采用PyQt界面，基于Python 语言设计开发了数据处理软件。PyQt 是跨平台GUI 框架QT 的Python 绑定，可实现基于Python 的跨平台桌面程序开发。数据处理软件架构如图5 所示，主要功能模块包括UDP 通信管理模块、节点管理模块、数据I/O 模块和数据显示（含地图和曲线2 种模式）模块。数据通信采用Python 的低级别网络编程模块Socket 和高级别网络服务模块Socket server；获取的UDP 消息由数据I/O 模块解析成相应的数据结构后以不同模式显示。地图和实时曲线的显示分别基于Cartopy 和PyQtGraph，其中，Cartopy 是进行地理信息数据处理的Python 工具包，用于生成地图和其他地理空间数据分析；PyQtGraph 是Python 内置的图形GUI库，可充分利用PyQt 和PySide 的高质量图形表现水平和Numpy 的快速科学计算与处理能力。

图 5 数据处理软件架构Fig. 5 Architecture of the data processing software

6 功耗测试与分析

设计实现的传感器节点与网关节点实物如图6所示。

图 6 传感器节点与网关节点实物Fig. 6 Pictures of real sensor node and gateway node

传感器节点采用3.7 V/4 A·h 的锂电池供电，DC/DC 平均转换率75%，各模块的工作电流如表3所示。其中通信模块有低功耗和正常2 种工作模式：低功耗模式下的节点通信模式为定时休眠，采样周期为5 s，在1 个周期中传感器模块持续采集数据，前4 s 通信模块和处理器模块休眠，后1 s 唤醒处理器和通信模块进行数据传输；正常模式下的节点通信模式为持续工作。

表 3 不同模块的电流消耗Table 3 Power dissipation of modules单位：mA

利用5 个节点与1 个网关组成验证系统进行节点不同采样频率下的功耗测试，结果如表4 所示。由测试结果可以看出，低功耗模式相比正常模式具有较好的功率消耗改进。基于应用需求，传感器节点采样频率一般选择在10 Hz，在低功耗模式下可实现单次充电连续工作33 天。

表 4 不同工作模式下工作时长Table 4 Working time of different operating modes

7 结束语

本文设计与实现了一种基于无线传感器网络的低功耗目标探测系统，针对无线传感器网络的能量受限问题，从传感器节点硬件选型、节点休眠设计、网络拓扑结构设计和数据传输协议设计等方面进行了低功耗设计优化，使系统具有部署简单、配置灵活、可靠性高的特点。实验测试结果表明该系统在低功耗模式下具有良好的连续工作特性，可用于重要设施防护、周界安防以及军事侦察等领域。