如何降低無(wú)線瓦斯傳感器的節(jié)點(diǎn)能耗

在對(duì)比常用瓦斯傳感元件的基礎(chǔ)上，選擇了OPTOSENSE公司最新生產(chǎn)的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX，設(shè)計(jì)了無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路。在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)軟件程序。節(jié)點(diǎn)處于周期約為10 min的工作/休眠交替狀態(tài)，在3節(jié)普通電池供電的情況下，從理論上估計(jì)其工作時(shí)間可超過(guò)10年之久，是采用傳統(tǒng)低功耗瓦斯傳感元件所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。

引言

瓦斯事故一直是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅。雖然近些年來(lái)，瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發(fā)生。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均是采用有線連接方式，具有很大的局限性。由于傳感器采用有線連接，這使其主要被限制在主礦道中應(yīng)用。而在高瓦斯?jié)舛鹊牟擅汗ぷ髅嫣?，由于煤礦的不斷開采，工作面各種大型設(shè)備需要不斷地推進(jìn)，設(shè)備之間的相互位置也不斷地發(fā)生變化，有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不能及時(shí)跟進(jìn)礦道的變化，從而造成監(jiān)測(cè)盲區(qū)。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，與現(xiàn)有有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)更為全面的井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將有助于改善目前瓦斯監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中存在的問(wèn)題。

在這樣的系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯傳感元件的功耗高達(dá)數(shù)百mW如何降低節(jié)點(diǎn)能耗是無(wú)線瓦斯監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1硬件電路設(shè)計(jì)

表1列出了目前常用低功耗瓦斯傳感元件及其主要指標(biāo)。從表中可以看出，常用低功耗瓦斯傳感器的功耗都在100mW以上，這對(duì)于由電池供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是非常不利的。而且表中所列傳感元件都有一定的響應(yīng)時(shí)間，即傳感元件供電后，需要等待其響應(yīng)一段時(shí)間，才能正確地反映瓦斯?jié)舛?a target="_blank">信息。較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間限制了無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)每次采集數(shù)據(jù)時(shí)的工作時(shí)間不能太短。例如，TP-1.1A非加熱甲烷氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間接近20 s.如果瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)采用該傳感元件，當(dāng)其采集一次數(shù)據(jù)時(shí)，從給傳感器供電開始，前20 s采集數(shù)據(jù)是沒有意義的，因?yàn)檫@時(shí)傳感元件處于響應(yīng)階段，其電壓值不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際瓦斯?jié)舛刃畔ⅰＲ虼嗣坎杉淮螖?shù)據(jù)，給傳感元件供電的時(shí)間至少持續(xù)20 s以上。對(duì)于如此高功耗的傳感元件來(lái)說(shuō)，采集一次數(shù)據(jù)所消耗的能量是非常巨大的。這使得所設(shè)計(jì)的無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間過(guò)短，以致不能達(dá)到實(shí)用化要求。

在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，還存在一個(gè)問(wèn)題，即傳感元件的工作電壓與節(jié)點(diǎn)電路中微處理器及無(wú)線收發(fā)電路工作電壓不一致。如果節(jié)點(diǎn)中不同模塊的供電電壓不同，則電路需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。而不同電壓的轉(zhuǎn)換將會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而使得節(jié)點(diǎn)能耗增加。

俄羅斯OPTOSENSE公司生產(chǎn)的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX采用非色散紅外技術(shù)（NDIR）原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，其光源采用非傳統(tǒng)的節(jié)能LED光源。該光源系統(tǒng)采用了先進(jìn)的算法產(chǎn)生優(yōu)化的輻射光譜，光線通過(guò)布滿甲烷的光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)含有硒化鉛和硒化鎘的光敏二極管上，從而對(duì)甲烷濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器內(nèi)置溫度傳感器，并且內(nèi)部集成信號(hào)處理和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，自行輸出數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)可以有效地避免外部環(huán)境對(duì)其輸出信號(hào)的影響。傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)遵循UART格式。

本文所選用的無(wú)線收發(fā)芯片是CC2430，電源采用電池組供電。隨著電池能量的消耗，電池組輸出的電壓變化較大，很容易超出傳感元件所要求的工作電壓范圍，因此需要選擇合適的穩(wěn)壓器件，給傳感器元件和無(wú)線收發(fā)電路提供穩(wěn)定的工作電壓。主要考慮如下：①節(jié)點(diǎn)擬采用3～4節(jié)5號(hào)電池供電，即對(duì)于穩(wěn)壓器件來(lái)說(shuō)，其輸入電壓范圍為4.5～6 V；②MIPEX傳感器工作電壓范圍為3～4.5 V，而CC2430無(wú)線收發(fā)芯片的工作電壓范嗣為2～3.6 V，這里將兩者電壓統(tǒng)一選擇為3.3 V，這就要求穩(wěn)壓器輸出電壓為3.3 V；③無(wú)線收發(fā)模塊最大工作電流為27mA，MIPEX傳感器平均工作電流為1 mA，所以要求所選擇的穩(wěn)壓器件能提供不低于28 mA的輸出電流；④所選擇的穩(wěn)壓器件靜態(tài)時(shí)的工作電流一定要盡可能小，以便節(jié)省能量。

考慮到同時(shí)滿足以上4點(diǎn)要求，本文選擇了深圳明和科技公司生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器MH5333.它的輸入電壓最高可達(dá)10V，輸出電壓為3.3V；最大輸出電流達(dá)500mA，靜態(tài)電流為1μA.可見MH5333穩(wěn)壓器件能較好地滿足上述要求。

由3～4節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)作為穩(wěn)壓器MH5333的輸入，其輸出（3.3 V）為無(wú)線收發(fā)電路和傳感器元件提供電源。無(wú)線收發(fā)電路與傳感器元件之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CC2430的引腳P0.0和P0.1分別連接了一個(gè)LED燈，方便后面調(diào)試程序及觀察程序的執(zhí)行情況。為了降低能耗，這里采用CC2430的一個(gè)引腳控制MIPEX傳感器的電源。MIPEX傳感器對(duì)其電源的要求是電源電壓在3～4.5 V范圍內(nèi)，輸出功率在0.02～0.25 W.CC2430的P1.0和P1.1兩個(gè)引腳可以提供20 mA的驅(qū)動(dòng)電流，可見CC2430的P1.0和P1.1兩個(gè)引腳的輸出功率能夠滿足這一要求。這里選擇CC2430的P1.0引腳控制MIPEX傳感器的電源。甲烷傳感器MIPEX的TXD和RXD引腳分別連接CC2430的P0.2和P0.3引腳，即連接到CC2430的異步串行接口0的RXD和TXD端。

2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

紅外甲烷氣體傳感器MIPEX輸出的數(shù)字信號(hào)遵循UART格式，要求波特率為9 600，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。MIPEX傳感器的控制指令遵循ASCII碼，并且每一個(gè)控制命令末尾都要以回車結(jié)尾。每個(gè)MIPEX傳感器都有自己的地址，其范圍為00～FF.出廠時(shí)默認(rèn)地址為00，用戶可以自己改寫。由于每個(gè)無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)只帶有一個(gè)MIPEX傳感器，不需要修改其地址。

MIPEX傳感器的數(shù)據(jù)查詢命令為DATA.當(dāng)CC2430需要查詢MIPEX傳感器中的濃度信息時(shí)，首先要向MIPEX傳感器發(fā)送一組命令：44 41 54 41 0D.其中前4個(gè)字節(jié)分別是“D A T A”所對(duì)應(yīng)的ASCII碼值，最后的“0D”為回車符的ASCII碼。MIPEX傳感器接收到查詢命令后，其返回值為Concl.該返回值是以一個(gè)5位的ASCII碼來(lái)表示濃度信息的，結(jié)尾仍然是一個(gè)回車符（0Dh）。例如，甲烷氣體濃度為1.86％，傳感器的返回值為00186.48 48 49 56 54分別為0 0 1 8 6的ASCII碼，如下所示。

傳感器上電后，需要60 s的熱身時(shí)間。在這期間，傳感器輸出的不是濃度信息，一般為FFFF.60 s過(guò)后，傳感器才輸出正確的測(cè)量值。因此在設(shè)計(jì)讀寫傳感器的程序時(shí)，等傳感器上電1 min后，再向其發(fā)送數(shù)據(jù)查詢及讀取命令，否則讀取的數(shù)據(jù)沒有意義。

無(wú)線收發(fā)芯片CC2430有4種工作模式：PM0、PM1、PM2和PM3.其中PM3模式最省電，但只能被外部中斷喚醒；PM2模式比較省功耗而且可以被定時(shí)喚醒。這里的低功耗設(shè)置是讓CC2430工作于PM2模式。ZigBee協(xié)議棧的低功耗實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)部分：一個(gè)是沒有任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式；另一個(gè)是CC2430周期性采集瓦斯?jié)舛刃畔r(shí)的低功耗設(shè)計(jì)。ZigBee協(xié)議棧在進(jìn)行任務(wù)輪詢時(shí)，如果沒有需要執(zhí)行的任務(wù)，其會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。具體實(shí)現(xiàn)是在協(xié)議棧主循環(huán)程序osal_start_system中調(diào)用osal_pwrmgr_powerconserve（）低功耗函數(shù)。該函數(shù)把獲取OS層timer下一次到時(shí)的時(shí)間作為參數(shù)，調(diào)用hal_sleep（）進(jìn)入PM2睡眠模式。如果當(dāng)前沒有任務(wù)，那么將進(jìn)入PM3.在后續(xù)程序中，每次都設(shè)置一個(gè)傳感器讀取事件，即如果自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，則一定是進(jìn)入PM2模式。睡眠前設(shè)置Timer2（睡眠定時(shí)器），醒來(lái)的時(shí)間剛好等于下次任務(wù)到來(lái)的時(shí)間，當(dāng)完成任務(wù)后再次進(jìn)入睡眠。

根據(jù)傳感器的操作要求，設(shè)置無(wú)線瓦斯傳感器按照以下的流程進(jìn)行工作。節(jié)點(diǎn)處于工作/休眠交替狀態(tài)，一個(gè)工作周期約為10 min.在前8分30秒中CC2430的P1.0引腳輸出低電平，控制MIPEX傳感器不工作。緊接著，CC2430進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式。8分30秒過(guò)后，CC2430被喚醒，P1.0引腳輸出高電平，即給MIPEX傳感器供電。此時(shí)CC2430進(jìn)入PM1低功耗模式。由于MIPEX傳感器的熱身時(shí)間為1min，這里設(shè)置70s后，CC2430被喚醒，開始讀取MIPEX中的瓦斯?jié)舛刃畔?，然后將其無(wú)線發(fā)送出去。待發(fā)送完畢后，設(shè)置下一次瓦斯?jié)舛茸x取事件，周期為20 s，這20 s內(nèi)，CC2430自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。20 s之后，觸發(fā)該事件，并送給應(yīng)用層處理，開始了上述循環(huán)過(guò)程。程序設(shè)計(jì)的具體流程如圖1所示。

無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程主要是在zb_HandieOsalEvent（events）編程實(shí)現(xiàn)的，具體程序?yàn)椋?/p>

3節(jié)點(diǎn)能耗估計(jì)

在所設(shè)計(jì)的電路中，消耗能量的部分是穩(wěn)壓電路、CC2430芯片和MIPEX傳感器。CC2430芯片在一個(gè)工作/休眠周期（10 min）內(nèi)，至少有8分30秒處于PM2低功耗狀態(tài)，本文設(shè)定的是PM2低功耗狀態(tài)，在此期間電流為0.9μA.有70 s的時(shí)間處于PM1低功耗狀態(tài)，其余20 s處于PM0狀態(tài)。MIPEX傳感器正常工作時(shí)，其電流為1 mA.一般電池的能量采用mAh的方法進(jìn)行表示，為了便于估計(jì)所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)電路工作壽命，這里也采用mAh的方法來(lái)表示能量。根據(jù)上面的分析，可以計(jì)算出在一個(gè)工作/休眠周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)電路所消耗的能量。CC2430在一個(gè)周期的能耗約為：Q1=0.9μA×510 s+0.2 mA×70 s+25 mA×20 s=514.459 mAs MIPEX傳感器在一個(gè)周期內(nèi)的能耗約為：Q2=1 mA×90 s=90 mAs文中所設(shè)計(jì)的電路采用3節(jié)1.5 V電池供電，即輸入為4.5 V，輸出為3.3 V.MH5333穩(wěn)壓器的效率與其壓差有關(guān)，線性穩(wěn)壓器件（LDO）的效率一般在85％～90％之問(wèn)，且隨著壓差的減小，其效率會(huì)有所增加。這里假設(shè)其轉(zhuǎn)換效率為85％，則整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路在一個(gè)周期（10 min）內(nèi)的能耗可以表示為：

一節(jié)普通5號(hào)電池的能量在600～700mAh，由此可以估算出所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)電路在3節(jié)電池供電情況下的工作時(shí)間為：

由此可見，本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)具有很低的能量消耗，3節(jié)普通5號(hào)電池供電的情況下，工作時(shí)間可達(dá)3 797天即10年之多。文中設(shè)定丁作/休眠周期可適當(dāng)縮短，以提高監(jiān)測(cè)情況的實(shí)時(shí)性。如果設(shè)置周期為5 min，那么工作時(shí)間也有5年左右。

傳統(tǒng)的低功耗瓦斯傳感元件功耗都在百mW以上，且有至少10 s的響應(yīng)時(shí)間，所以僅傳感元件本身的能耗就非常大。如果再加上信號(hào)放大電路、無(wú)線收發(fā)電路的能耗，仍沒定工作/休眠周期為10 min，那么普通3節(jié)1.5 V電池儀能維持一個(gè)月左右。因此與傳統(tǒng)瓦斯傳感元件相比，MIPEX傳感元件的低功耗性能表現(xiàn)非常優(yōu)越。這也為低功耗無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)用化提供了一條行之有效的途徑。

結(jié)語(yǔ)

本文采用低功耗紅外瓦斯傳感器MIPEX和CC2430設(shè)計(jì)的無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠維持足夠長(zhǎng)的工作時(shí)間，是采用傳統(tǒng)低功耗瓦斯傳感元件所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的，這對(duì)于推進(jìn)無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步走向?qū)嵱没哂兄匾饬x。不過(guò)論文所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)瓦斯?jié)舛软憫?yīng)的實(shí)時(shí)性有待進(jìn)一步提高。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，能夠向CC2430發(fā)出中斷觸發(fā)信號(hào)，將其從休眠中喚醒。不過(guò)，需要增加硬件電路，才能實(shí)現(xiàn)該功能。傳感器節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊母叩图白兓俾?。?lái)確定其工作/休眠周期。如果瓦斯?jié)舛鹊?，且變化速率不大，則可以設(shè)置較長(zhǎng)的工作/休眠周期；如果瓦斯?jié)舛茸兓^大，則設(shè)置較短的工作/休眠周期；如果瓦斯?jié)舛瘸?，則應(yīng)處于實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。