低功耗无线传感器网络节点设计

【摘要】：无线传感器网络,采用自组网的方式进行通信,应用的环境一般比较特殊,节点的能量和处理能力都很有限,通常采用电池供电,因为应用环境的特殊性,节点的能量很难得到补给,所以在节点中进行低功耗研究具有重要的意义。 本论文依托北京市学术创新团队——“无线传感网络自主组网模型与方法研究”项目,主要分析和研究节点的低功耗设计。研究分两个方面：一是从节点硬件设计的低功耗角度考虑,深入分析节点各功能模块的能耗模型,提出了节点硬件设计的低功耗策略和具体方案；二是从节点软件设计的低功耗角度,根据所设计节点的硬件特点,提出低功耗软件设计策略和具体方案。 针对无线传感器网络节点低功耗研究中的新特点和新要求,在分析和研究低功耗节能模型,评估节点各功能模块能耗的基础上,选取了一种低功耗SOC(片上系统)芯片CC2530和CC2531作为核心控制芯片进行节点的设计验证。硬件方面：研究设计了基于CC2530的带有扩展接口的温度传感器节点和基于CC2531的汇聚节点。传感器节点的电源管理芯片选用低功耗、工作模式可编程控制的TPS60211,可以从电源层面控制节点的功耗,为软件的动态电源管理提供了硬件基础。汇聚节点通过全速的USB接口与管理节点通信,保障了网络数据传输的实时性,同时USB接口也为汇聚节点提供电源。软件方面：采用TI领先的低功耗Z-Stack协议栈,优化软件控制的各个环节,根据电源管理芯片可编程控制的特点,实现电源的动态管理,从电源层面进入休眠,较好的降低了节点的功耗。给出了一种汇聚节点与Internet互联方案。通过实验验证,设计的节点完成自组网,实现多跳,具有低功耗、稳定性好的特点。 本论文从硬件和软件两个方面对节点能耗进行研究,通过分析节点能量损耗过程,在功能方面满足节点数据采集与传输要求,在性能方面达到合理高效的节能与效能。