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摘 要：针对目前机械振动无线传感器网络节点能耗高的问题，提出一种低功耗节点硬件结构设计方法。在保证机械振动信号采集性能的同时，极大的减小节点体积与功耗。希望可以通过网络节点的低能耗设计，延长无线传感器网络的户外作业使用寿命。
关键词：低功耗；无限传感器；网络节点
中圖分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0293-01
引 言
现阶段很多无线传感器网络的节点设计一直都在致力于对节点性能的提升上面，像是美国加州伯克利大学实验设计的MicaDot2节点，虽然性能很好，但是传感器网络节点的能量消耗太大，使用寿命短，无法被应用在更大规模的野外作业中，这也是本文研究的现实意义所在，希望可以设计出低能耗的网络节点。
1 无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensors Network，WSN）是在监测区域内部署大量传感器节点，以无线通信方式形成的单跳或多跳的自组织网络系统，以协同感知、采集和处理监测区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络能大大提高人类对物理环境的远端监视和控制能力，实现信息世界、物理现实与人类社会的互通，因此在实际中有着广泛的应用。
无线传感器网络往往需要大规模地部署于人迹罕至的区域、灾害现场等，因此在可靠性、安全性等方面都面临极大挑战。能量效率、定位技术、时间同步、数据融合和安全技术是无线传感器网络设计需要考虑的关键技术。因此如何有效地利用有限的能量资源，减少传感器节点的能量消耗，直接影响着无线传感器网络的生存时间，是进行无线传感器网络设计时需要优先考虑的重要约束。
2 硬件设计
2.1 节点模块设计
在无线传感器网络节点设计中，除了关键的处理器模块以及射频模块设计，还有关于存储器的设计，要对这些网络节点展开外扩存储器的设计。对于外扩存储器的选择，可以使用W25X16系列STM32单片机SPI通信程序作为Flash存储器，在这个FLash存储器中，存储芯片会有8192个的可编程控制页，每页只有256个字节，所以该存储器具有引脚少、体积轻巧、功能消耗低的优势特点。网络节点在与计算机PC终端端口展开通信连接时，可以采用USB连接的方式进行连接，进而完成串口通信，使用CP2012 USB驱动控制器，将USB端口虚拟成为Com口，从而实现端口拓展，而且外围电路稳定、简单，在没有额外电源的作业情况下，可以使用USB端口对网络节点进行充电。
2.2 传感器与信号调理电路
位移传感器、速度传感器和加速度传感器虽然都能采集振动信号，但是它们的侧重点各有不同。位移传感器适用于测量低频、低振幅的振动信号；速度传感器对高频信号灵敏度较低，因此仅适用于低中频振动测量；加速度传感器适用于低频到高频的大多数振动监测应用。因此，在机械振动监测应用中多采用加速度传感器采集频率较高的机械振动信号。电荷输出型和电压输出型两种加速度传感器以其较好的精度、宽的频率范围广泛用于传统机械振动监测中。但是它们的输出信号较为微弱，需要后续的调理电路对其进行放大。这些调理电路需要正负电源对其进行供电，这导致其功耗与体积往往较大。因此，在能量受限的无线传感器节点使用传统加速度传感器是不经济的。
随着半导体技术和微机电系统的迅猛发展，MEMS加速度传感器应运而生。除价格低廉、体积微小之外，以下特点也使得其更加适用于电池供电的无线传感器节点之中：①自身功耗极低；②可仅使用2.7～5V的单电源供电，简化外围电路；③输出信号仅需经过简单的调理电路即可进行滤波等后续处理。
2.3 处理器模块
对于无线传感器网络节点处理器模块，可以说是整个节点设计的核心关键部分，需要处理器能够完成对数据的处理，还能够进行能耗管理以及通信协议管理，最好是还支持睡眠模式。现阶段ATMEL公司在增强型内置AVR单片机系列产品上开发的都比较不错。根据无线传感器网络节点的低功耗设计需求，我们可以选择T1公司所生产的16位低功耗单片机，这种单片机的能耗可以实现μA级别，而且Msp430F149单片机可以拥有非常丰富的外设功能与低功耗特性，它的工作电压最低为1.8V，最高可以达到3.6V，能够支持32.768kHz的时钟变换，该类型的单片机系统具有一种工作模式以及五种低消耗模式，在实际工作中可以根据实际需求完成切换。
2.4 PIR运动检测模块
PIR运动传感器包换两个或多个元件，这些元件输出的电压与入射红外辐射量成正比。温度不同于环境温度的人体平行于传感器表面运动并穿过两个传感器元件的视野时产生的输出电压信号。输出电压信号的幅值与运动速度以及相对于传感器的距离成正比，电压峰峰值在几百微伏到几毫伏之间。由于传感器元件的物理尺寸小，感测空间较小，通常需要将菲涅尔透镜置于PIR传感器的前端，通过将红外能量放大并集中到小型传感器元件上来拓展感测范围。菲涅尔透镜的形状和尺寸决定最大检测角和观察区域，根据应用所需的视野角度和检测范围决定选择哪种透镜。
3 节点软件设计
一个好的嵌入式无线传感器网络节点控制系统，还需要拥有一套相应的软件来使得网络节点的性能达到最佳，而且软件的设计还要有无线网络通信能力，可以实现对传感器节点资源以及网络协议栈的正确控制，从而保证网络节点的正常工作，这样可以放缓节点能量的消耗速度，在Tiny OS系统中，可以进行Nes C语言开发，再由专门的编译器，展开对网络节点的资源管理以及任务的调度。通过网络协议栈的建立，能够把所有孤立起来的网络节点形成一个系统，6LoWPAN协议能够允许无线路由进入休眠状态并且实现电池供电，不单可以让网络节点进行互相组网，还能够让6LoWPAN直接接入到互联网当中。
4 结 语
无线传感器网络与传统网络在节点和网络拓扑上都存在着很大的不同，虽然在无线传感器网络设计时需要考虑定位、同步、数据融合和安全防护等关键技术，但由于无线传感器节点自身能量有限且无法得到有效补充，因此能量有效性是无线传感器节点和网络拓扑设计时需要首先考虑的因素。本文对低功耗的无线传感器网络节点进行分析，希望能够有效的延长无线传感器网络的户外作业使用寿命。
参考文献
[1]张建军，陈 晓，赵 意.一种无线传感器节点动态采样策略[J].电子测量与仪器学报，2016（02）：15.
[2]林晓鹏.无线传感器网络及关键技术综述[J].智能计算机与应用，2015，5（1）：81～83.
收稿日期：2018-3-25
关键词：低功耗；无限传感器；网络节点
中圖分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0293-01
引 言
现阶段很多无线传感器网络的节点设计一直都在致力于对节点性能的提升上面，像是美国加州伯克利大学实验设计的MicaDot2节点，虽然性能很好，但是传感器网络节点的能量消耗太大，使用寿命短，无法被应用在更大规模的野外作业中，这也是本文研究的现实意义所在，希望可以设计出低能耗的网络节点。
1 无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensors Network，WSN）是在监测区域内部署大量传感器节点，以无线通信方式形成的单跳或多跳的自组织网络系统，以协同感知、采集和处理监测区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络能大大提高人类对物理环境的远端监视和控制能力，实现信息世界、物理现实与人类社会的互通，因此在实际中有着广泛的应用。
无线传感器网络往往需要大规模地部署于人迹罕至的区域、灾害现场等，因此在可靠性、安全性等方面都面临极大挑战。能量效率、定位技术、时间同步、数据融合和安全技术是无线传感器网络设计需要考虑的关键技术。因此如何有效地利用有限的能量资源，减少传感器节点的能量消耗，直接影响着无线传感器网络的生存时间，是进行无线传感器网络设计时需要优先考虑的重要约束。
2 硬件设计
2.1 节点模块设计
在无线传感器网络节点设计中，除了关键的处理器模块以及射频模块设计，还有关于存储器的设计，要对这些网络节点展开外扩存储器的设计。对于外扩存储器的选择，可以使用W25X16系列STM32单片机SPI通信程序作为Flash存储器，在这个FLash存储器中，存储芯片会有8192个的可编程控制页，每页只有256个字节，所以该存储器具有引脚少、体积轻巧、功能消耗低的优势特点。网络节点在与计算机PC终端端口展开通信连接时，可以采用USB连接的方式进行连接，进而完成串口通信，使用CP2012 USB驱动控制器，将USB端口虚拟成为Com口，从而实现端口拓展，而且外围电路稳定、简单，在没有额外电源的作业情况下，可以使用USB端口对网络节点进行充电。
2.2 传感器与信号调理电路
位移传感器、速度传感器和加速度传感器虽然都能采集振动信号，但是它们的侧重点各有不同。位移传感器适用于测量低频、低振幅的振动信号；速度传感器对高频信号灵敏度较低，因此仅适用于低中频振动测量；加速度传感器适用于低频到高频的大多数振动监测应用。因此，在机械振动监测应用中多采用加速度传感器采集频率较高的机械振动信号。电荷输出型和电压输出型两种加速度传感器以其较好的精度、宽的频率范围广泛用于传统机械振动监测中。但是它们的输出信号较为微弱，需要后续的调理电路对其进行放大。这些调理电路需要正负电源对其进行供电，这导致其功耗与体积往往较大。因此，在能量受限的无线传感器节点使用传统加速度传感器是不经济的。
随着半导体技术和微机电系统的迅猛发展，MEMS加速度传感器应运而生。除价格低廉、体积微小之外，以下特点也使得其更加适用于电池供电的无线传感器节点之中：①自身功耗极低；②可仅使用2.7～5V的单电源供电，简化外围电路；③输出信号仅需经过简单的调理电路即可进行滤波等后续处理。
2.3 处理器模块
对于无线传感器网络节点处理器模块，可以说是整个节点设计的核心关键部分，需要处理器能够完成对数据的处理，还能够进行能耗管理以及通信协议管理，最好是还支持睡眠模式。现阶段ATMEL公司在增强型内置AVR单片机系列产品上开发的都比较不错。根据无线传感器网络节点的低功耗设计需求，我们可以选择T1公司所生产的16位低功耗单片机，这种单片机的能耗可以实现μA级别，而且Msp430F149单片机可以拥有非常丰富的外设功能与低功耗特性，它的工作电压最低为1.8V，最高可以达到3.6V，能够支持32.768kHz的时钟变换，该类型的单片机系统具有一种工作模式以及五种低消耗模式，在实际工作中可以根据实际需求完成切换。
2.4 PIR运动检测模块
PIR运动传感器包换两个或多个元件，这些元件输出的电压与入射红外辐射量成正比。温度不同于环境温度的人体平行于传感器表面运动并穿过两个传感器元件的视野时产生的输出电压信号。输出电压信号的幅值与运动速度以及相对于传感器的距离成正比，电压峰峰值在几百微伏到几毫伏之间。由于传感器元件的物理尺寸小，感测空间较小，通常需要将菲涅尔透镜置于PIR传感器的前端，通过将红外能量放大并集中到小型传感器元件上来拓展感测范围。菲涅尔透镜的形状和尺寸决定最大检测角和观察区域，根据应用所需的视野角度和检测范围决定选择哪种透镜。
3 节点软件设计
一个好的嵌入式无线传感器网络节点控制系统，还需要拥有一套相应的软件来使得网络节点的性能达到最佳，而且软件的设计还要有无线网络通信能力，可以实现对传感器节点资源以及网络协议栈的正确控制，从而保证网络节点的正常工作，这样可以放缓节点能量的消耗速度，在Tiny OS系统中，可以进行Nes C语言开发，再由专门的编译器，展开对网络节点的资源管理以及任务的调度。通过网络协议栈的建立，能够把所有孤立起来的网络节点形成一个系统，6LoWPAN协议能够允许无线路由进入休眠状态并且实现电池供电，不单可以让网络节点进行互相组网，还能够让6LoWPAN直接接入到互联网当中。
4 结 语
无线传感器网络与传统网络在节点和网络拓扑上都存在着很大的不同，虽然在无线传感器网络设计时需要考虑定位、同步、数据融合和安全防护等关键技术，但由于无线传感器节点自身能量有限且无法得到有效补充，因此能量有效性是无线传感器节点和网络拓扑设计时需要首先考虑的因素。本文对低功耗的无线传感器网络节点进行分析，希望能够有效的延长无线传感器网络的户外作业使用寿命。
参考文献
[1]张建军，陈 晓，赵 意.一种无线传感器节点动态采样策略[J].电子测量与仪器学报，2016（02）：15.
[2]林晓鹏.无线传感器网络及关键技术综述[J].智能计算机与应用，2015，5（1）：81～83.
收稿日期：2018-3-25