基于ARM7技术的无线传感器网络节点能量管理初探

1 引言
  
微小的、资源非常有限的无线传感器网络节点是无传感器网络的基本功能单元，担负着信息采集、数据处理、信息传输等重任。

随着MEMS技术、微电子技术、网络技术和计算机技术的进步，逐渐使得无线传感器网络成为现实。研究人员利用嵌入式技术开发出了小型化板级无线传感器网络节点，而这在30年前还仅是一种构想；单片无线传感器网络节点也已经问世，但距离实用仍有相当一段路要走。为了研究无线传感器网络的组网技术和能量管理技术我们采用基于ARM7核的SOC单片机LPC2138开发了一种传感器网络节点(如图1)。


2 节点设计概述

相对于处理器运算速度和功耗提高的幅度而言，电池性能的提高则缓慢许多，使得能量管理成为了无线传感器网络最大的挑战。为了节能无线传感器网络要求节点具有动态电源管理(DPM)功能，在节点空闲时应进入低功耗状态以节省能量。实现DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技术在无线通信领域有着无可比拟的优势，己有超过85％的无线通信设备采用了ARM技术。我们选择了菲利浦公司生产的ARM基高性能、低功耗微控制器LPC2138构建处理单元。

LPC2138提供了完善的DPM支持：具有休眠和掉电两种低功耗状态，可通过外部中断将其唤醒；振荡模式下支持1～30 MHz外部晶体，通过锁相环可使CPU获得高达60 MHz的工作频率，为了节能采用8 MHz晶体；片内外设除了可通过外设功率控制寄存器开启、关闭外，其工作频率亦可通过分频器调整为处理器时钟频率的1／2或1／4。另外，存储加速功能可极大地加快程序的运行速度，提高能量效率。这些使得LPC2138适合应用到具有相当处理能力的低功耗系统中。

为了使节点可用两节AA电池供电，采用升压型DC-DC MAX756构建供电单元。除了升压外MAX756还具有电源监控的功能，当Vin(可通过R1和R3调整)低于1.25 V时，LBO引脚输出低电平、灌电流(如图2)。这虽不能准确给出电池荷电状态(SOC)的多少，却可让传感器节点了解其电池的荷电状态下降到了某种程度，节点不再适合担任较繁重的工作了。由此改变节点的工作状态、降低节点的功耗，达到延长节点使用时间的目的。



数据收发单元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee标准的射频收发芯片构建；传感单元由温度传感器DS1722和光亮度传感器TSL2561组成。通过三级管放大MCU的GPIO驱动能力，实现对它们供电的动态管理。
3 能量管理
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