1 幀格式定義
為降低功耗，本設(shè)計(jì)沒(méi)有采用IEEE 802.15.4規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，而是對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，降低了數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，如表1所示。前導(dǎo)碼和幀起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束。數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，CC2420自動(dòng)在數(shù)據(jù)包的開(kāi)始處加上前導(dǎo)碼和SFD，在數(shù)據(jù)包末尾自動(dòng)加上CRC校驗(yàn)碼（即幀檢查序列）。接收時(shí)，當(dāng)CC2420檢測(cè)到前導(dǎo)碼和SFD時(shí)開(kāi)始接收幀長(zhǎng)度以及后面的數(shù)據(jù)。幀長(zhǎng)度為源地址、目的地址、負(fù)載和幀檢查序列的總字節(jié)數(shù)，這里為0x07。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都有唯一的地址，發(fā)送者為源地址，接收者為目的地址。

2 電源管理
為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命，本設(shè)計(jì)采用了一種定更巡回監(jiān)測(cè)工作方式，具體過(guò)程如下：通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘的定時(shí)同步，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)在工作周期和休眠周期之間循環(huán)輪轉(zhuǎn)。當(dāng)工作周期一到，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)先對(duì)自己所在位置的壓力和流量進(jìn)行檢測(cè)并暫存在緩沖區(qū)中，然后關(guān)閉傳感器電源，接著打開(kāi)CC2420的電源進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的封裝和收發(fā)。若工作周期沒(méi)有結(jié)束，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)就自動(dòng)進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)檢測(cè)和收發(fā)。當(dāng)工作周期結(jié)束，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)就關(guān)閉CC2420的電源，進(jìn)入休眠周期，主程序流程圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

性能測(cè)試
根據(jù)上述方案，我們?cè)O(shè)計(jì)了4個(gè)樣品進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于發(fā)送、接收或者休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)檢測(cè)所用時(shí)間比以上3個(gè)狀態(tài)所用的時(shí)間小得多，而且一旦數(shù)據(jù)檢測(cè)完成就立即關(guān)閉傳感器電源，因而功耗也相對(duì)較小，故測(cè)試時(shí)沒(méi)有計(jì)入傳感器部分功耗。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)和休眠時(shí)的平均功耗分別約為23.4mA、20mA和2μA。從整個(gè)數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程看，節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)的時(shí)間遠(yuǎn)大于其發(fā)送數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。單個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間之比R和投入節(jié)點(diǎn)的總量及節(jié)點(diǎn)所處的位置有關(guān)。假設(shè)有100個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，呈鏈狀分布，按照所設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議分析，R值在1.5左右。通過(guò)計(jì)算一天當(dāng)中節(jié)點(diǎn)的平均耗電流IAV，可算出其使用天數(shù)。IAV計(jì)算公式如下：

? （1）
其中，ITX、IRX、ISleep分別表示節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送、接收和休眠狀態(tài)的平均功耗，單位mA；α、β、γ分別為24小時(shí)當(dāng)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送、接收和休眠所占用的時(shí)間比例。

若采用一節(jié)12V、23A的五號(hào)干電池作電源，節(jié)點(diǎn)一天當(dāng)中接收和發(fā)送時(shí)間總和不超過(guò)6小時(shí)，則節(jié)點(diǎn)的使用壽命可達(dá)2年以上。

結(jié)語(yǔ)
依據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種用于輸油管泄漏監(jiān)測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊。經(jīng)調(diào)試，該節(jié)點(diǎn)在模擬試驗(yàn)中應(yīng)用良好，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信，能用LED指示接收、發(fā)送和應(yīng)答等信息，功耗低，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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