基于压电自供电的无线传感网络网关节点设计

何宏 高艳囡 张志宏

摘 要：针对无线传感网络中网关节点数据传输量大、能耗高，导致其难以长时间工作的问题，基于ZigBee、GPRS、压电电源设计自供电无线传感网络网关节点。首先，采用ZigBee最小系统CC2530和GPRS模块搭建网关节点硬件结构，CC2530模块实现处理、存储接收数据，GPRS模块实现远距离传输数据；其次，采用压电陶瓷片和能量转换芯片LTC3588-1设计压电自供电电源，给网关节点供电。实验证明，压电陶瓷片在固定振动频率下，输出电压为70 V、电流为19 mA；当有1，2道墙阻隔时丢包率分别低于5%、10%。基于压电自供电的无线传感网络网关节点具有无源、丢包率低、可靠性强等特点。

关键词：无线传感网络；LTC3588-1；压电自供电；CC2530

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）09-0067-05

0 引 言

无线传感网络是由大量的微型传感器组成的自组织无线网络，通过节点间的相互协作来感知、采集、处理和传输对象的监测信息[1]，由传感器节点、网关节点以及监测中心组成[2]。传感器节点负责采集数据，经过ZigBee网络把数据传输给网关节点，网关节点再通过基站把数据传输至监测中心。其中，网关节点是ZigBee网络与监测中心之间的数据传输的关键节点，传输数据较多、耗电量较大[3-4]；若网关节点失去作用，ZigBee网络采集的数据将无法上传给用户，整个网络也就会面临瘫痪[5-6]。

为解决上述问题，本文采用低功耗、低成本的ZigBee无线通信模块和GPRS数据传输模块设计网关节点，并根据压电发电原理，设计了压电自供电电源，给网关节点供电。

1 网关节点整体结构设计

网关节点的整体结构设计如图1所示，由处理器模块CC2530、GPRS数据传输模块[7]和压电电源组成。处理器模块负责对接收到的数据进行存储和处理，GPRS数据传输模块负责远距离传输数据[8]。GPRS与处理器之间通过UART接口连接。压电电源包括压电陶瓷片、能量转换芯片和超级电容，压电陶瓷片把外界作用力转换为交流电输出，通过能量转换芯片转换成直流电，存储在超级电容中，给处理器和GPRS数据传输模块供电。

2 网关节点硬件设计

2.1 微处理器模块

微处理器模块选用德州仪器研发的新一代ZigBee片上系统解决方案CC2530[9]，具高性能8051内核，128 KB可编程闪存，8 KB RAM，具备各种供电方式下的数据保持能力，支持ZigBee2007PRO协议以及硬件调试。CC2530核心电路如图2所示，其中，RF_N和RF_P是射频天线输入输出引脚，P0_2引脚和P0_3引脚作为USART0的RX端口和TX端口，跟GPRS模块的10号引脚RX_I端口和9号引脚TX_O端口连接。

2.2 GPRS数据传输模块

GPRS数据传输模块选用SIMcom公司生产、内含TCP/IP协议的SIM900A模块。通过处理器配置不同的AT指令，实现GPRS与监测中心之间的TCP/IP连接，从而把汇聚到网关节点的数据通过GPRS网络远距离发送至监测中心。

GPRS通信电路如图3所示。RI引脚接来电指示灯LED2，引脚netlight接网络指示灯LED1，通过LED1的闪烁模式来判断网络是否正常。

2.3 电源模块

压电自供电电源电路[10]如图4所示。压电能量收集芯片[11]LTC3588-1的引脚PZ1和PZ2两端连接压电陶瓷片。压电片产生的能量一方面，通过电容C3为芯片内部的buck电路供电；另一方面存储在两个容量为4F的超级电容C1、C2中。超级电容具有容量大、充放电迅速的特点，比可充电电池使用寿命更长。超级电容两端有两个并联的稳压管，目的是防止超级电容过压击穿。当没有外力作用在压电片上时，Vin端电压下降，超級电容开始向电容C3供电，当Vin的电压值达到UVLO门限时，buck电路开启，电能从C3转向C6，由电容C6直接为负载提供电能。

3 网关节点软件设计

网关节点软件的功能是接收ZigBee网络汇聚的数据，在有发送数据要求时，通过GPRS模块接入GPRS网络，发送数据至远程监测中心。

ZigBee接收数据发送给GPRS的过程，要求二者具有相同的波特率，ZigBee网络的建立和参数设置通过调用Z-Stack协议栈里的API函数及原语函数实现。而GPRS网络的建立是由CC2530向GPRS模块发送AT指令实现的。网关节点无线收发程序流程如图5所示。

4 实验测试

4.1 压电能量收集理论

压电材料在外界力的作用下会产生正、逆两种压电效应，实验主要利用压电材料的正压电效应，把环境中的机械能转化为电能[12-14]。压电元件等效电路如图6所示。

若外部施加压力F，则压电片产生电荷Q为

Q=d33F（1）

压电陶瓷晶体的等效电容CP为

CP=εLW/h=εS/h（2）

式中：ε——压电陶瓷晶体的介电常数；

S——压电晶体面积；

h——压电晶体厚度。

则开路电压U：

U=d33F/CP（3）

可得电流IP为

IP=ωCPU（4）

4.2 电源测试

表1为实验选用的PZT压电陶瓷晶体参数。

由空气的介电常数ε0=8.85×10-12 F/m，则压电陶瓷片的介电常数ε=ε0·εT33=3 900×8.85×10-12 F/m。实验测得压电陶瓷片的开路电压、输出电流和振动频率的关系曲线分别如图7和8所示。

从图中可以看出实验采用的压电陶瓷片的固定振动频率在50Hz左右，最大电压可达到70V，最大电流可达到19 mA。实验采用的CC2530有3种供电模式：供电模式1，每隔4 μs唤醒一次节点，耗电量为0.2 mA；供电模式2，通过定时器唤醒，耗电量为1 μA；供电模式3，通过外部中断唤醒，即节点进入深度睡眠，耗电量为0.4 μA。而SIM900A模块同样采用低功耗设计，睡眠模式[14]下最低耗电量仅有1.0 mA。实验证明，压电电源所产生的电量，满足节点正常工作所消耗的能量。

4.3 信号强度和丢包率测试

ZigBee网络中数据发送通过函数sendReport（）实现，然后由函数SampleAPP_MessageMSGCB（）对接收到的数据包进行处理，并在该函数中调用afIncomingMSGPacket_t*pkt函数即可获得信号强度RSSI的值。

丢包率（PER）是接收端接收到的数据包个数与发送端发送的数据包个数之比。发送端的数据包个数通过在sendReport（）函数中增加一个数据包计数器得到；接收端数据包个数通过SampleAPP_MessageMSGCB（）函数中增加数据包计数器。实验分别在1～3道混凝土墙（每墙厚度160 mm）阻挡的情况下对网关节点的丢包率和信号强度进行测试，每隔1 s发送一次数据，共发送1 000个数据，实验测得的PER/RSSI与传输数据之间的关系曲线如图9所示。

从图中可以看出当有1道墙阻隔时丢包率不超过5%，接收信号强度在-45～-50 dBm之间。当有两道墙阻隔时丢包率在5%～10%之间，信号接收强度在-55～-60 dBm之间。当有3道墙阻隔时，接收信号强度大幅下降，在-85～-100 dBm之间，丢包率也大幅上升，最大达到97%。故网关节点若布置在室内，应使两节点间的障碍不超过两道墙，才能保证网络的稳定性和接收数据的可靠性。

5 结束语

网关节点是无线传感网络的关键节点，关系到整个无线传感网络和用户之间的数据传输，若网关节点不工作，整个网络的数据传输就会中断。本文采用CC2530、GPRS和压电电源设计一款网关节点，给出了硬件和软件方面的具体设计，并针对压电电源的发电能力进行测试，最后对整个节点的接收信号强度和丢包率进行测试，实验证明该节点运行可靠，复杂环境下无需更换电池仍能正常工作，具有较好的应用前景。

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（编辑：莫婕）