CN101965039A - 无线传感器网络节点超低功耗设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无线传感器网络节点超低功耗设计方法，先根据预期的节点与模块的平均功耗目标和对无线通信、传感器和微处理器工作的占空比要求，按无线通信、微处理器、传感器的顺序，依次确定各模块的允许电流，并据此选择器件设计各模块实现方案；然后根据不同模块的负载范围设计能保持高使用效率的智能型电源模块，从而降低节点各组成部分的功耗；再根据实际应用设计各模块协同工作的时序，通过微处理器控制多模块按时序工作来降低节点的峰值电流。这些措施综合起来发挥作用使无线传感器网络节点在保证性能并持续监测的前提下，其平均功耗低于目标要求，有效延长节点使用寿命。

Description

无线传感器网络节点超低功耗设计方法

技术领域

本发明技术涉及一种无线传感器网络节点超低功耗设计方法，该方法普遍适用于节点的低功耗设计，主要应用于状态监测、目标探测等需要进行持续在线监测的应用场合。

技术背景

无线传感器网络是由大量低成本的传感器节点组成的自组织网络。节点具备无线通信能力，不仅负责环境信息的采集、处理，还要收、发自身和网络的数据，但其能量等资源有限。由于节点的供电电池不便更换，最大限度的节能是节点设计的首要原则。无线传感器网络节点一般由处理器、无线通信、传感器和电源四个模块组成。一般被认为传感模块的功耗很低，通信消耗了节点的大部分能量，现有研究基本未讨论传感器的功耗和电源节能问题。

微处理器是整个节点的控制核心，负责进行数据采集、数据处理与无线通信，但并非一直处于高负载状态下，因此，节点的微处理器应具备多种不同功耗的工作模式，应根据当前负载情况合理选择工作模式，既满足性能要求，又降低功耗。

在以往的节点设计中，传感器模块是以低占空比的工作方式运行的，因此，在无线传感器节点低功耗技术研究中忽略或轻视了传感器的功耗，缺少针对传感器的低功耗设计。随着应用需求和无线传感器技术的发展，实际应用中面向实时监测任务的持续测量任务越来越多，要求也越来越高。由于持续地监测信号，即使采用低功耗的集成传感器件，传感器模块的功耗占节点总功耗的比例也并不小，不可忽略，需要根据任务需求和传感器特点进行低功耗设计。按照能量关系，传感器可分为自源型与外源型。自源型传感器的输出直接由被测量能量转换而得，不需激励电源，但是，一般因信号弱而测量精度不及外源型传感器。在目标探测、状态监测场合，尽管采用高精度外源型传感器能保证精度要求，但当目标未进入监测区域时，持续使用该类传感器监测，将造成节点电池能量过多消耗，无法满足长时间工作的要求。仅采用自源型传感器监测，虽可使节点寿命延长，但往往测量精度不够。因此，迫切需要开发既能持续监测，又具备低功耗特点的无线传感器网络节点。

无线传感器网络节点的不同模块具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。从节能考虑，节点各模块要有不同功耗的工作模式及工作电压，因而需要调整电源。另一方面，节点选用的电池种类不同例如碱性电池、锂电池等，使电池的实际非线性特性和输出电压范围不同。为给各模块提供所需稳定电压并充分利用电池电能，需要进行高能效的升压、降压或升/降压稳压调整。负载变化和电池特性使节点电源调整器的输入、输出处于变化中，其中输出电流变化较大。这要求节点电源及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，又能适应节点其他模块的负载变化，为其提供不同工作状态所需的电压和电流，同时还能降低从高负载到空载条件下的电源自耗，提高不同负载下的能效。目前，大多节点是由电池直接供电，有的典型节点平台仅配置了线性电压调整器以保持电池的稳定电压输出，未实现电源模块的节能。

节点一般由普通的电池驱动，普通电池寿命一般是3～5年。因此，电池的实际使用寿命通常意味着节点的最长寿命。以典型的无线传感器网络节点MICA2为例，如果用2节AA型号1.5V的电池提供能量，节点功耗(含无线收发)为1mW时能持续工作330天，若节点工作5年，那么意味着功耗需要降低到180uW以下。根据电池寿命，若要实现节点继续工作时间达到1年以上，那么节点的功耗必须降低到1mW以下。

影响电子器件(半导体集成电路器件)功耗的基本因素主要有工作电压、电流、工作频率/时间等，对于应用级的低功耗设计，降低系统功耗主要从这些器件的功耗因素以及工作方式着手。无线传感器网络是与应用密切相关的，因此，其节点的低功耗设计因具体问题不同而存在一定的特殊性。这使得在保证性能指标的前提下进行的低功耗设计方法差异很大，缺乏普遍适用的设计模式。

尽管对特定的节点系统而言，能实现超低功耗并可供系统设计者选择的方法并不是很多，但普适性的节点低功耗设计方法是节点技术的重要内容，也是目前节点设计所必需的。目前已有较多低功耗技术的研究成果，但对于超低功耗技术的期望值，国内外却没有明确定义，一般以业内接受的MSP430系列微控制器的功耗参数为参考值。因此，通过吸收目前节点低功耗研究的成果，结合节点的任务需求特点，以及系统组成模块功耗的特点，从硬件以及硬、软件配合方面进行有效设计，并针对具体应用要求改进，依然可以研究出适用于节点超低功耗的普适性方法与技术。特别是与硬件系统协调的软件设计技术不仅能优化系统性能，也能最大程度得减少系统功耗。

发明内容

本发明的目的是提出一种无线传感器网络节点超低功耗设计方法，其流程如图1所示。采用本发明，能以低功耗实现对目标信号的持续监测，有效延长节点使用寿命。

本发明的技术解决方案如下：

一种无线传感器网络节点超低功耗设计方法，该方法涉及的无线传感器网络节点包括微处理器、电源、无线通信模块和传感器四个模块，所述的电源、无线模块和传感器模块均与微处理器连接；采用分别降低传感器、无线通信模块、微处理器的功耗和提高电源使用效率的硬件设计方法降低无线传感器网络节点的整体功耗。

分别降低传感器、无线通信模块、微处理器的功耗和提高电源使用效率的硬件设计方法的具体方法如下：

选择一个2.7～3.3V的主工作电压，并按照无线模块、微处理器、传感器模块、电源模块的顺序依次选择器件；

对于无线通信模块，选择平均工作电流低于I_c并具备自动休眠模式的器件或组件，I_c根据下式确定：

$I_c=\frac{P{\mathrm{\α}}_c}{V_m{T}_c};$

式中，P为节点目标功耗，V_m为主工作电压，α_c为无线通信模块平均工作电流占节点总电流的比值，即占总功耗的允许比值，T_c为无线通信模块的工作占空比，α_c的取值在66.7％左右，T_c为1％；

对于微处理器，选择在供电电压V_m下平均工作电流低于I_p的微控制器：

$I_p=\frac{P{\mathrm{\α}}_p}{V_m{T}_p};$

式中，α_p为微处理器平均工作电流占节点总电流的比值，T_p为微处理器的工作占空比，α_p≤(1-α_c)*10％，T_p＝10*T_c＝10％，微控制器具有分模块独立工作模式，以及具有不同功耗的工作模式；

对于传感器模块，选择平均工作电流低于I_s的传感器件：

$I_s=\frac{P{\mathrm{\α}}_s}{V_m{T}_s};$

式中，α_s为传感模块平均工作电流占节点总电流的比值，α_s≤(1-α_c)*90％，T_s为传感器模块的工作占空比，由于应用场合不同，使占空比T_s不同，对于非实时性要求的检测(如状态查询)，选T_s＝(1～5)T_c；对于需要考虑实时性的检测，选择T_s＝(10～25)T_c；对于实时性监测，选择T_s＝50T_c～100％；采用以下三种方式选择传感器件：

A：针对需要持续监测的应用场合，选择自源型传感器件；

B：选择平均工作电流小于0.1mA的低功耗有源型传感器件；

C：自源型传感器件与外源型传感器件组合的方式；自源型传感器用于对信号的持续探测，外源型传感器用于对超阈值信号的精确测量，以满足对测量精度和进行低功耗持续监测的要求，当自源型传感器探测到信号幅度超过设定阈值时，唤醒微处理器，启动外源型传感器；

对于电源模块，在有精度优于0.1％的传感器的场合，单独设立可关断的辅助电源或使用具有多路输出的电源电压调整器，由微控制器控制该高精度传感器的启动与关闭；当监测到锂电池电压处于节点主电压的有效范围时，由锂电池直接供电；当电池电压处于有效范围之外时，启用电压调整器；电压调整器的电压阈值【即电池输出电压超界的判别值】V_k根据节点主电压、电压调整器的输入、输出电流以及与输出电流对应的能量转换效率值确定，V_k的计算公式如下：

$V_k=V_m\frac{1}{\frac{I_i}{I_o}+\mathrm{\η}\left(I_o\right)-1};$

式中，I_i，I_o分别是电压调整器的输入、输出电流，η(I_o)是对应I_o的能量转换效率。电压调整器性能参数表给出了不同I_o下的η值，由I_o大小可查得对应的η(I_o)其余器件和模块优先选用I/O口供电方式。

采用nW级的多路电子式超低功耗模拟开关，构建由微处理器控制节点选择供电电源和控制模块供电的电源模块输入输出通道以及选择控制电路，具体方法如下(如图5和图6)：锂电池的2路输出端和太阳能电池的一路输出端分别与受控于微处理器的3通道节点电源输入模拟开关的3个输入端相接，该3通道节点电源输入模拟开关的2路输出接电源电压调整器即调整稳压器，使锂电池和太阳能电池的输出经电压调整器后接入具有短期稳压作用电容器的电源输出汇聚点，该3通道节点电源输入模拟开关的另一路输出直接将锂电池接入电源输出汇聚点；

另外，为锂电池提供一条经二极管和限流电阻降压输出的支路直接接入电源输出汇聚点，该支路仅在节点初始上电启动微处理器时有效；为无线通信模块设立1路由微处理器控制的模块电源输入模拟开关；为传感器模块中的外源型传感器电路和自源型传感器的信号放大器分别设立1路模块电源输入模拟开关，自源型传感器的信号调理电路采用直接供电方式。

还采用微处理器控制其他模块按时序协调工作来降低峰值电流的方法作为降低无线传感器网络节点功耗的辅助手段，具体方法如下：设计多模块协同工作时序，各模块按照从关断、休眠到一般工作模式的顺序，由微处理器选择与节点当前状态对应的模块工作，并通过前述电源输入输出通道与选择控制电路选择不同供电方式；确定各模块的启动顺序，以顺序启动工作方式避免多模块同时启动时的高峰值电流，降低节点的峰值功率。

以图7为例，无外部事件触发时，节点按设定的工作/休眠方式和工作占空比于T₁，T₂，T₃，T₄时刻周期性地由内部时钟唤醒工作，在每一个由内部时钟唤醒的工作周期内，CPU根据电池输出电压值和电压V_k确定是否启动电压调整器【即图中的稳压器】，将电池直接供电换为电压调整器供电，同时启动外源型传感器；随后启动A/D转换，经数据处理后于t₁时刻关闭外源型传感器(即图7中的加速度计)和A/D转换器，再启动无线通信模块和串口通信，通信完成之后于t₂时刻关闭通信模块，同时关闭电压调整器，回到电池直接供电方式，此时节点进入低功耗休眠期直到再次被唤醒。当节点的CPU在休眠期因外部误触发于t₃时刻被一直工作的自源型传感器唤醒时，CPU仅启动A/D转换部分，经数据处理确认不是有效事件时，于t₄时刻关闭A/D，重回休眠状态；若有外部事件使CPU于t₅时刻被触发唤醒时，CPU仍然只启动A/D转换，经数据处理确认是有效触发后，于t₆时刻启动电压调整器和外源型传感器，然后再进行A/D转换，获得外部事件数据后，于t₇时刻关闭外源型传感器和A/D，同时启用无线通信模块和串口通信，将数据传送至无线模块，通信完成后CPU于t₈时刻关闭其他模块，使节点返回休眠期直到微控制器CPU再次被唤醒。

本发明的技术构思为：

对于如图2所示的由微处理器、传感器、无线通信和电源等四模块构成的无线传感器节点，依据性能和功耗要求分别降低传感器模块、微处理器模块、无线通信模块的功耗；设计既能满足节点运行与性能所需的电源输出规格及质量要求、又能适应节点其他模块的负载变化的高能效电源模块；作为节点控制中心的微处理器负责管理节点的不同低功耗工作模式的选择以及各模块的供电。

如图3所示，无线传感器网络节点超低功耗设计方法主要从器件选择、功耗分析与估计、模块工作方式与时序、供电方式这四个涉及功耗的方面着手，对传感器、通信、微处理器和电源这四个模块进行针对性的低功耗设计，使节点的整体功耗降低达到预期值。其包含的步骤为：

步骤1)首先根据电池供电的电子器件的允许电压范围、节点电池容量和预期寿命确定可满足性能要求的节点总功耗目标P和主工作电压V_m；确定节点各模块的工作方式及其占空比，依次确定通信模块、微处理器模块和传感器模块在主电压下占总功耗/总电流的允许比值。

步骤2)确定节点所需无线通信器件：依据通信模块的允许功耗比值、主电压和占空比，根据

计算允许工作电流I_c。根据允许电压和电流优先选择接收电流小、侦听功耗低并有自动休眠和多种功耗工作模式的无线通信器件或模块。

步骤3)确定节点的微处理器组件：依据微处理器模块的允许功耗比值、主电压和占空比，根据

计算允许工作电流I_p。根据电压和电流选用具有不同功耗工作模式和可分模块独立工作的低功耗微控制器，并选择工作电压与微控制器工作电压相容的低功耗外围器件。

步骤4)根据

计算的允许电流I_s确定传感器模块方案：优先选择自源型传感器；当不能满足测量功能与性能要求时，根据节点工作方式所允许的最低占空比，选择满足功能与性能要求的低功耗传感器件；若在该占空比下，所选传感器件的平均电流/功耗超过允许值，或者对于需要高占空比方式特别是持续监测的应用要求，则采用自源型传感器与外源型传感器组合的方式，由自源型传感器持续探测并对超阈值信号产生相应触发信号，外源型传感器工作于低占空比方式，仅对超阈值的信号进行高精度测量。

步骤5)确定节点各模块单元的工作方式及其参数：分模块确定满足性能要求的各电路单元的最低工作电压与主电压下的电流范围、工作频率等参数。微控制器以低频工作为主，分模块工作，按性能要求确定需启用高频时钟的条件及最低高频值，空闲时进入休眠状态；为自源型传感器设置输出触发功能，以唤醒微控制器；对外源型传感器采用外部触发启动或受控启动方式，以实现由事件触发数据采集与处理；通信模块的启动由微控制器通过选通电源控制，通信模块空闲时，则切断其电源。

步骤6)设置各模块供电方式和设计接口电路：优先选择使用I/O口供电方式；对需要高工作电压的传感器部分或高精度测量任务，单独设立可关断的辅助电源或使用具有多路电源输出的电源变换器，控制该模块或任务的启动与关闭；对自身具有电压调整能力的模块，或者负载电流超出电源调整器有效范围，或者当监测到电池电压处于节点主电压的有效范围时，由电池直接供电；当电池电压超出有效范围时，按

确定的电压阈值启动电源电压调整器；设计微处理器与通信模块和传感器模块之间的信号接口电路。

步骤7)设计高能效电源模块和受控的模块供电电路：依据电池输出电压和节点其他模块的工作电压及电流变化范围，选择能保持高能效的升/降压电压调整器，并优化其外围电路参数，使调整器在负载变化范围内保持高能效；采用电子式超低功耗模拟开关，设计由微处理器选通、关断来控制模块供电的多通道电源输入输出电路，实现对电压调整器输入输出的多选择控制：电池电压的输出设置方式包括经过二极管降压后的输出、直接输出和经过电压调整器调整电压到主电压后的输出。设计由微控制器控制的通信和传感器模块的供电电路，配合具有多种供电方式的电源模块，依据当前的性能要求及工作状态选择对各模块供电。

步骤8)设计多模块协同工作时序：针对节点各模块的工作与功耗特点，按照从关断、休眠到一般工作模式的顺序，由微处理器选择与节点当前状态对应的模块工作及供电方式；确定各模块工作的启动顺序，以顺序启动工作方式降低节点工作的峰值电流。

步骤9)节点性能与功耗管理参数测试、调整：通过对节点的性能与功耗测试，调整、确定满足性能要求的功耗管理参数，获得满足性能要求的节点平均总功耗。

有益效果：

根据本发明的设计方法进行节点低功耗设计，通过按目标分别降低传感器模块、微处理器及通信模块功耗的方法和设计保持高能效的智能型电源模块，再根据实际应用设计多模块协同工作时序使得节点的峰值电流降低，这些措施综合在一起并共同发挥作用，使无线传感器网络节点在保证性能要求的前提下，其功耗能达到预期的超低功耗水平。实际表明可以使采用本方法改进的典型节点(MICA2)在持续监测状态下的平均功耗低于1mW，使节点使用寿命有效延长，本方法可普遍适用于不同应用目标的无线传感器网络节点的设计。

本发明提供无线传感器网络节点超低功耗设计方法。该方法不仅满足一般节点对功能与性能的要求，同时能降低节点的平均功耗，延长使用寿命。对于满足诸如持续或不间断监测振动信号等这类实时性强的应用，其降低功耗效果明显。

附图说明

图1为超低功耗无线传感器网络节点设计流程图。

图2为超低功耗无线传感器网络节点实例结构框图。

图3为本发明方法构成要素与应用方式示意图。

图4为超低功耗无线传感器网络节点装置实例主板电路图。

图5为实例节点的传感器示意图。

图6为实例节点电源模块示意图。

图7为实例节点功能模块启动顺序图。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

为便于体现节能效果，将本超低功耗设计方法应用于MICA2节点(含振动传感器与电源板)的改进设计。因此，实施例节点与MICA2节点具有相同性能要求，通过应用本设计方法的改进设计，其平均功耗应达到超低功耗水平，即持续工作下的平均功耗低于1mW。在应用本超低功耗设计方法进行节点改进设计时，不改变MICA2节点的主要模块结构与功能，如外存储器、外源型集成加速度传感器以及无线通信器件。按照如图1所示的本发明节点超低功耗设计方法的流程，具体应用步骤如下：

一、实施例节点与MICA2有相同性能要求，在此性能要求下确定实施例节点各模块的电流及变化范围，并据此选择器件。本节点的设计目标为1mW功耗，因其加速度传感器的最低工作电压为3V，所以工作主电压设为3V；因MICA2设定的无线通信工作的占空比(1％)较低，选择工作电流占总电流的比值为66.7％，由此计算出无线模块的工作电流应低于22.2mA，MICA2的无线模块的平均电流低于22.2mA，符合要求，保留该模块(若要改进无线通信，可选择供22mA以下的其他模块)。

二、MICA2的微处理器平均工作电流占节点总电流的3.33％，工作占空比为无线模块的10倍，即10％，由此可得微处理器的平均工作电流为0.11mA，因此MICA2节点的ATmega128L芯片工作电流太大，改用MSP430F149微控制器，其工作主频率设为32.768kHz，则工作电流低于0.11mA。同时，补充一种由自源型压电传感器触发微处理器进行测量的工作方式。

三、若节点模块均按MICA2原定占空比工作，则经上述改进设计后已达预期低功耗水平；但要提高传感器工作的占空比，则需调整器件和进一步改进。仅使用自源型传感器无法达到测量精度要求，而仅使用外源型传感器又不能满足高占空比工作下的低功耗要求，因此采用了自源型传感器与外源型传感器配合的测量方案，自源型压电振动元件使用MiniSense 100并设计了相应的调理电路，与原有的二维集成加速度计ADXL202配合实现低功耗测量。

四、各模块的工作方式设置：对于传感器模块，由于外源型加速度传感器ADXL202电流较大，故设置触发功能，由微控制器控制模拟开关选通外源型加速度传感器的电源；微处理器模块以低频工作为主，分模块工作并控制各模块的工作时序，微控制器休眠时直接由电池供电；微控制器通过选通模拟开关控制通信模块的启动电源，当通信模块处于空闲状态时切断其电源以便节能；当休眠期到来时，微控制器处于低功耗的休眠工作模式，切断无线通信模块、集成加速度计的电源，自源型压电振动元件则一直处于工作状态，当工作期到来时或有超阈值的信号发生时，则以中断方式唤醒微控制器，由微控制器根据节点任务需求启动相应的模块。

五、补充太阳能电池，与充电锂电池配合作为节点的电源，电源模块改用高能效升/降压稳压器TPS63030以及功耗(小于10nW)可忽略的电子式模拟开关ADG821选通多路电源及输出，微控制器根据电源模块的输入输出动态切换供电及调整输出方式，从而实现对各模块及单元的选择供电；优化TPS63030的负载电阻配置，减小外接电阻对输出电压及电流的影响，使得TPS63030在节点负载变化内能保持高能效，通过控制输入输出通道实现各模块的供电方式切换。

六、各功能模块的启动顺序以及协同工作方式设计：各模块的工作时序如图7所示，错开各模块的启动时间，以降低节点峰值电流从而降低电阻上的能量消耗以及延长电池寿命。

七、对新设计的节点进行性能和功耗测试，在保证性能要求的前提下调整功耗管理参数，测定节点的平均总功耗。

如图2所示为超低功耗无线传感器网络节点装置实施例结构框图，它包括微处理器模块(1)、传感器模块(2)、无线通信模块(3)以及电源模块(4)，微处理器模块是节点的核心，其内的功能模块可独立运行，其他模块与微处理器模块相连并受微控制器控制。

如图4所示为超低功耗无线传感器网络节点装置实施例主板电路图。微控制器选用MSP430F149，供电电压为1.8～3.6V，内部功能模块可独立工作，在2.2V电压、1MHz时钟频率的活动模式下其功耗为160～280uA，同时具备多级功耗模式，其功能模块可独立运行。

实施例传感器模块的结构如图5所示，其自源型传感器为压电振动敏感元件MiniSense100、比较模块的参考电压源为REF1112、比较器为低功耗的TLV3492、运算放大器为TLV2402、模拟开关为ADG801，外源型传感器为集成加速度计ADXL202E。压电振动元件的电压输出与微控制器控制的参考电压经过比较器进行比较，比较结果送至微控制器的中断口。当超阈值的振动信号出现时，低功耗比较器通过中断口唤醒微控制器，微控制器便对经过放大后的压电振动信号进行采样，以确定是否应该通过电源选择开关启动具有高精度和快速测量性能的加速度传感器。ADXL202E是高性能加速度计，工作电压为3～5.25V，工作电流为0.6mA(5V)，测量范围为±2g，灵敏度为167mV/g，其功耗大但测量精度高、频带宽。加速度计的输出经放大后送给微控制器的A/D口，由微控制器决定是否启动加速度计以便获得高精度测量数据。

由上可知，本实施例节点微处理器模块、传感器模块设计参考MICA2的微处理器模块、传感器模块设计，参照MICA2电池寿命测试计算条件，即采用相同周期工作的占空比和电流大小(本方案中ADXL202传感器的工作时间只需原来的一半)，计算可得仅包括微控制器及传感器模块的平均电流如表1所示。

由表1可知，当节点的原传感器模块以低占空比方式运行时，其微控制器及传感器模块的平均功耗尚能达到超低功耗水平，但若需实现持续监测即占空比为100％时，仅MICA2节点的微控制器及传感器模块平均功耗就达到21.78mW，远远超过预期的低功耗限定值1mW。应用本低功耗设计方法改进节点设计后，当目标事件发生的概率为5％(通常情况下目标事件发生概率不高于1％)时，在实时监测状态下其微控制器及传感器模块的平均功耗仅为0.113mW，满足超低功耗要求。

表1

如图6所示的实例节点电源模块结构示意图，电源调整电路选用升/降压稳压器TPS63030作为电压调整器，其输入电压范围是1.8～5.5V，在节能模式下，通过输出阻抗优化匹配设计，其输出电流减小到约1mA时，其性能稳定，转换能效依然能保持在85％以上。此电源模块还可接太阳能电池、超级电容以及充电锂电池，并为整个节点提供3V主工作电压，微控制器通过I/O口控制低功耗模拟开关ADG821，能在太阳能电池供电、锂电池供电、通过电压调整器稳压输出等供电方式之间选择，实现对节点电源供电的控制。

如图7所示的实例节点功能模块工作时序。在t3时刻出现超阈值的信号，唤醒微控制器的CPU，从而启动A/D模块进行采样分析，结果证实为干扰信号，则转入休眠；t5时刻又有超阈值振动信号出现，经过A/D采样后决定启动高性能的加速度计以获得高测度测量，测量完毕则关闭加速度计与A/D转换器；对于无线通信模块，则是周期性地工作，但工作周期避开了其他功能模块的工作时刻；除CPU功能模块外，其他任何模块工作时，都要使电压调整器工作，否则关闭电压调整器。由此时序图可知，实施例节点的峰值电流为两个最大的工作电流之和。

表2

参照MICA2电池寿命测试计算条件，即采用相同的工作周期和占空比及电流大小(本方案中ADXL202传感器的工作时间为原来的一半)，计算可得含电源模块(其占空比对应于其他模块)自耗在内的节点平均电流如表2所示。表2中的电流值为器件的静态电流值，器件在工作、休眠或待机状态之间转换时会导致电流的变化，因此表2中最后的平均电流值都为修正值。对3mA以上到20mA的小负载，LTC3400的效率低于85％。本方案的TPS63030在节能模式下100～1mA内的能量转效能保持在85％以上。另外，本设计是传感器模块不工作就关断，其他模块休眠时电源调整器可切换到休眠或电池直接供电方式，可进一步节能。由表2可看出，应用了超低功耗设计方法的节点，其平均电流为0.114mA，为原来MICA2节点平均电流(0.206mA)的54.5％。各功能模块顺序启动并在结束时进入休眠或关闭的工作方式，并且各功能模块的工作时间存在时差，使得节点的峰值电流降低了34.4％。降低峰值电流，还意味着在电阻上的能量损耗减少，同时也有利于延长电池的使用寿命。若将本实施例设计的超低功耗节点与MICA2节点应用于持续监测振动的场合，即传感器以高占空比(假设提高10倍，无线通信的占空比不变)工作，则新设计的节点平均电流为0.162mA，为原来MICA2节点平均电流(0.946mA)的17％，节能效果明显。若节点以100％的占空比运行传感器和微处理器，即进行不间断的实时监测，则MICA2节点的平均电流达9.15mA，平均功耗达30.2mW，而本实施例改进设计的节点，即使目标事件发生概率按5％计，其平均电流为0.269mA，平均功耗为0.81mW，低于1mW。若依据超低功耗设计方法选择低收发电流的无线通信器件、外存储器，可进一步降低功耗。

综上所述，应用了超低功耗设计技术的无线传感器网络节点实施例，在保证性能要求的前提下，使其持续工作时的平均功耗低于1mW。本方法可普遍应用于象目标探测等面向实时监测的应用场合。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络节点超低功耗设计方法，该方法涉及的无线传感器网络节点包括微处理器、电源、无线通信模块和传感器四个模块，所述的电源、无线模块和传感器模块均与微处理器连接；其特征在于，采用分别降低传感器、无线通信模块、微处理器的功耗和提高电源使用效率的硬件设计方法降低无线传感器网络节点的整体功耗。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点超低功耗设计方法，其特征在于，分别降低传感器、无线通信模块、微处理器的功耗和提高电源使用效率的硬件设计方法的具体方法如下：

选择一个2.7～3.3V的主工作电压，并按照无线模块、微处理器、传感器模块、电源模块的顺序依次选择器件；

对于无线通信模块，选择平均工作电流低于I_c并具备自动休眠模式的器件或组件，I_c根据下式确定：

$I_c=\frac{P{\mathrm{\α}}_c}{V_m{T}_c};$

式中，P为节点目标功耗，V_m为主工作电压，α_c为无线通信模块平均工作电流占节点总电流的比值，即占总功耗的允许比值，T_c为无线通信模块的工作占空比，α_c的取值在66.7％左右，T_c为1％；

对于微处理器，选择在供电电压V_m下平均工作电流低于I_p的微控制器：

$I_p=\frac{P{\mathrm{\α}}_p}{V_m{T}_p};$

式中，α_p为微处理器平均工作电流占节点总电流的比值，T_p为微处理器的工作占空比，α_p≤(1-α_c)*10％，T_p＝10*T_c＝10％，微控制器具有分模块独立工作模式，以及具有不同功耗的工作模式；

对于传感器模块，选择平均工作电流低于I_s的传感器件：

$I_s=\frac{P{\mathrm{\α}}_s}{V_m{T}_s};$

式中，α_s为传感模块平均工作电流占节点总电流的比值，α_s≤(1-α_c)*90％，T_s为传感器模块的工作占空比，对于非实时性要求的检测，选T_s＝(1～5)T_c；对于需要考虑实时性的检测，选择T_s＝(10～25)T_c；对于实时性监测，选择T_s＝50T_c～100％；采用以下三种方式选择传感器件：

A：针对需要持续监测的应用场合，选择自源型传感器件；

B：选择平均工作电流小于0.1mA的低功耗有源型传感器件；

C：自源型传感器件与外源型传感器件组合的方式；自源型传感器用于对信号的持续探测，外源型传感器用于对超阈值信号的精确测量，以满足对测量精度和进行低功耗持续监测的要求，当自源型传感器探测到信号幅度超过设定阈值时，唤醒微处理器，启动外源型传感器；

对于电源模块，在有精度优于0.1％的传感器的场合，单独设立可关断的辅助电源或使用具有多路输出的电源电压调整器，由微控制器控制该高精度传感器的启动与关闭；当监测到锂电池电压处于节点主电压的有效范围时，由锂电池直接供电；当电池电压处于有效范围之外时，启用电压调整器；电压调整器的电压阈值V_k根据节点主电压、电压调整器的输入、输出电流以及与输出电流对应的能量转换效率值确定，V_k的计算公式如下：

$V_k=V_m\frac{1}{\frac{I_i}{I_o}+\mathrm{\η}\left(I_o\right)-1};$

式中，I_i，I_o分别是电压调整器的输入、输出电流，η(I_o)是对应I_o的能量转换效率。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络节点超低功耗设计方法，其特征在于，

采用nW级的多路电子式超低功耗模拟开关，构建由微处理器控制节点选择供电电源和控制模块供电的电源模块输入输出通道以及选择控制电路，具体方法如下：锂电池的2路输出端和太阳能电池的一路输出端分别与受控于微处理器的3通道节点电源输入模拟开关的3个输入端相接，该3通道节点电源输入模拟开关的2路输出接电源电压调整器即调整稳压器，使锂电池和太阳能电池的输出经电压调整器后接入具有短期稳压作用电容器的电源输出汇聚点，该3通道节点电源输入模拟开关的另一路输出直接将锂电池接入电源输出汇聚点；

另外，为锂电池提供一条经二极管和限流电阻降压输出的支路直接接入电源输出汇聚点，该支路仅在节点初始上电启动微处理器时有效；为无线通信模块设立1路由微处理器控制的模块电源输入模拟开关；为传感器模块中的外源型传感器电路和自源型传感器的信号放大器分别设立1路模块电源输入模拟开关，自源型传感器的信号调理电路采用直接供电方式。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络节点超低功耗设计方法，其特征在于，还采用微处理器控制其他模块按时序协调工作来降低峰值电流的方法作为降低无线传感器网络节点功耗的辅助手段，具体方法如下：设计多模块协同工作时序，各模块按照从关断、休眠到一般工作模式的顺序，由微处理器选择与节点当前状态对应的模块工作，并通过前述电源输入输出通道与选择控制电路选择不同供电方式；确定各模块的启动顺序，以顺序启动工作方式避免多模块同时启动时的高峰值电流，降低节点的峰值功率。

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