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采用自供电节点的无线传感网络研究#
向春，文玉梅，董志浩，杨进**
基金项目：国家自然科学基金资助项目 (No. 61071042)；国家教育部博士点基金资助项目 (No.
20100191110009)
作者简介：向春，（1987-），男，主要研究方向为传感及自供能技术。
通信联系人：文玉梅，教授，博士生导师，研究方向：传感及检测仪器技术。E-mail: ymwen@
（重庆大学光电工程学院，传感器与仪器研究中心，重庆 400044）
摘要：摒弃了 ZigBee 复杂的动态组网方式，采用静态 ZigBee 树形路由组网方式将自供电节5
点组成具有网络结构简单、能量消耗少等优点的无线传感网络。自供电节点的运用解决了传
统传感节点受电池能量限制而不能永久在线监测的问题。文中还分析了无线传感网络数据传
输特性。在将无线传感网络用于输电线的安全监测的实践表明：自供电节点电源电压稳定，
无线传感网络性能良好，各项指标均满足设计要求。
关键词：自供电节点；无线传感网络；ZigBee；电线监测 10
中图分类号：TP212
Research of wireless sensor network using self-powered
nodes
XIANG Chun, WEN Yumei, DONG Zhihao, YANG Jin 15
(Research Center of Sensors and Instruments, College of Optoelectronic Engineering, Chongqing
University, ChongQing 400044)
Abstract: Abandoning the complexly dynamic ZigBee networking mode, the static ZigBee
tree-routing network was chosen to form a simple structure and low power consumption wireless
sensor network with self-powered nodes. The application of self-powered nodes solved the 20
problem of the battery energy limitation of traditional sensor nodes which can not monitor online
permanently. Then we analyzed the characteristics of data transmission of the wireless sensor
network. Practice indicates that the self-powered sensor nodes have a stable power voltage and
good performance of wireless sensor network in long-term monitoring of electric wire.
Keywords: self-powered node; wireless sensor network; ZigBee; electric wire monitoring 25
0 引言
无线传感网络作为一种新型的智能测控网络，能够实现数据采集、处理和传输等功能，
它一般由大量静止或移动的传感器节点以自组织或多跳等方式构成。无线传感网络根据所携
带的不同传感器，可以实现对电流、温度、湿度、压力、速度等物理量的测量。传统的传感30
节点通常采用电池供电，而电池能量有限，需要定期为传感节点更换电池才能维持传感节点
工作，但这对于某些特殊场合是非常困难的，如高压、缺氧地区，因此希望能研制一种一次
布置永久在线的传感节点。随着自供电技术的发展，自供电电源已能短时驱动后端电子系统
工作。重庆大学光电工程学院传感器与仪器研究中心在自供电技术的研究方面取得重要成
果，但其输出的能量仍然有限，受到环境中能量供给的影响极大。如果环境中没有能量，能35
量采集器则不能获取能量，自供电电源不能为后端供电；如果环境中能量充足，能量采集器
则能获得足够能量为后端供电。
ZigBee[1,2]是一种工作在 900Mhz 或 频段的无线通信协议，其底层基于
标准，由 ZigBee 联盟共同开发完成，是新一代无线短距离通信技术，具有低
功耗、延时短、安全、可靠、网络容量大等特点[3,4]。ZigBee 具有星形、树形及网状三种基40
本的网络拓扑结构，ZigBee 无线传感网络中具有不同的设备节点类型，可以按照不同的路
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由方式组成灵活的网络结构[5,6]。
为降低无线传感网络的整体功耗，本文摒弃了 ZigBee 复杂的动态组网方式，采用静态
ZigBee 树形路由方式将自供电节点组成具有网络结构简单、能量消耗少等优点的无线传感
网络。对自供电节点的工作状态进行控制，降低耗能状态的时间，延长低功耗状态的时间，45
使自供电节点在一个工作周期内的能量消耗不大于自供电电源输出的能量。自供电节点的运
用解决了传统传感节点受电池能量限制而不能永久在线监测的问题。
1 自供电节点
自供电传感节点的功耗及电源
自供电节点的控制芯片为 CEL 公司提供的短距离无线通信芯片 ZICM2410，它由封装50
了 ZigBee 协议的 8051 单片机和 RF 模块组成，工作频率为 ，无线传输速率为 250kps，
500kps 或 1Mbps 可选。ZICM2410 正常工作电压为 ~，正常工作电流为 10mA，接收
电流为 35mA，发送电流为 44mA。
若传感节点一直处于正常工作状，传感节点的能量消耗很大，自供电电源不能长时间对
其供电。而事实上传感节点不需要每时每刻处于正常工作状态，只需按照一定工作规律工作55
即可。传感节点每一个工作周期中包括耗能过程：正常工作过程（包括数据采集和数据发送
过程），时间约为 55ms；低功耗过程，时间为 3min，低功耗状态的电流小于 。因此
计算得到传感节点在一个完整的工作周期内消耗的能量为 [7]。传感节点的工作流程如
图 1 所示，从图中可以看到控制芯片工作后，如果自供电电平指示信号为低则直接进入低功
耗状态。如此重复图中红色箭头所示过程直到自供电电平指示信号为高，一般这一过程出现60
在传感节点工作初期。
图 1 传感节点工作流程
working process of sensor node
65
自供电能量管理电路对能量采集器的输出进行处理后才能驱动后端电子系统。自供电能
量管理电路由匹配电路，整流电路，储能电容，控制电路及放电电路组成[8,9]。其中存储电
容为超级电容，当传感节点处于正常工作状态时，它放电；当传感节点处于低功耗状态且能
量采集器有输出时，它充电。实践中，超级电容容值一般为 ，耐压值为 5V。在一个能
量释放周期，超级电容端电压从 610mV 下降到 470mV，其释放的能量为 ，DC/DC70
转化效率为 50%，则后端获得的能量约为 [7]。
通过上述计算表明能量管理电路一次释放的能量大于传感节点一个工作周期内所需要
的能量，因此利用电池将富余能量存储起来是很有必要的，如能量采集器不能从环境中获取
足够能量则可启用电池为传感节点供电。另外，电池的作用还体现在传感节点工作上电时，
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可以利用电池中的能量够保证传感节点的快速正常工作。 75
自供电接收节点
自供电接收节点由 ZigBee 模块和 CDMA 模块组成。CDMA 为 3G 通信技术，因其容量
大，安全性高等优势而被广泛运用。接收节点首先与监控中心建立通信，根据监控中心的命
令进入数据接收及后台程序运行状态。接收节点接收到传感节点的数据后，通过串口发送至
CDMA 模块，CDMA 模块将数据传输上公网，远端的服务器接收到数据后进行后续的处理。80
接收节点主要完成的工作包括：命令接收与判断、时钟同步、接收数据及预处理、串口数据
发送。
2 ZigBee 无线传感网络设计
ZigBee 无线传感网络中有两类设备节点，一类是用于数据采集和发送的自供电传感节
点，一类是用于数据接收的接收节点。一个监测区域由一个接收节点和若干个传感节点组成。85
接收节点与传感节点通信的基本条件是具有相同的网络 ID（PANID）、信道以及相互之间
的地址。接收节点通过接收到每组数据中的地址信息来判断所接收到的数据来自于哪个传感
节点。
网络结构
图 2 所示为整个无线传感网络结构示意图，每个监测区域中传感节点的具体个数根据实90
际情况来确定，整个网络可以包括若干个监测区域。整个网络可容纳的传感节点的个数由数
据库的大小来决定，为满足分布式、长时间在线监测的要求，数据库应该尽可能大。
图 2 ZigBee 无线传感网络结构
schematic of wireless sensor network 95
网络地址分配
为了使传感节点便于管理，采用 ZigBee 树形路由组网方式对网络中传感节点的网址进
行统一分配。完整的 ZigBee 协议非常复杂，本文摒弃了 ZigBee 协议中动态组网方式，简化
了网络自动生成过程，采用静态组网的方式来实现网络。当一个网络建立以后，在简化协议100
体系下根据树形路由算法来为网络中的设备分配地址过程为：如有新的节点 i 希望加入网络
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中且与另一节点 j 相关，即 i 为 j 的子设备，则 j 将根据自己的地址 Aj 和网络深度 depthj 来
为 i 分配地址。设父设备拥有子设备的最大数量为 nwChildMax(Cm)，网络最大深度为
nwDepthMax(Dm)，父设备将路由器作为子设备的最大数为 nwRouterMax(Rm)。则可以计算
函数 Cskip(d)，此函数表示在网络深度为 d 时，且已知路由器和子设备个数的情况下父设备105
所能分配的网络地址数。Cskip(d)的表达式为：
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
−
⋅−−+
=−−⋅+
=
=
−−
others
R
RCRC
RdDC
Dd
dCskip
m
dD
mmm
mmm
m
m
m ,
1
1
1),1(1
,0
)(
1
（1）
如果 Cskip(d)为 0，则表示它没有接受子设备的能力，该设备为 ZigBee 网络的终端设备。
终端设备在网络中分配的地址可以表示为：
iRdCskipAA mji +⋅+= )( （2） 110
如果子设备具有路由能力，其网址可以表示为：
)1()( −⋅+= idCskipAA ji （3）
网络结构图如图 2 所示，每个监测区域中自供电传感节点只与区域中的接收节点通信，
传感节点与传感节点间不发生联系。传感节点为终端设备，网络深度为 d为 1，而最大网络
深度 Dm也为 1，因此每个传感节点的网址可以表示为： 115
iAA ji += （4）
采用上式对网络中传感节点进行网络地址的分配一方面分配方式简单，便于管理；另一
方面节点间干扰小，某一传感节点的变动不影响同监测区域中其他传感节点的工作。
3 网络数据传输分析
同一监测区域中有多个传感节点时，由于晶振误差的存在会造成某一时间两个或多个传120
感节点同时向接收节点发送数据，因而必然造成数据的丢失。通过理论计算和分析，可以计
算出多节点阻塞周期及数据丢失率，以此作为实验中判别系统性能的重要参考。
多节点阻塞周期
理想情况下各个传感节点的时钟都是非常准确的，只要在传感节点第一次工作的时候不
与其他节点发生阻塞那么就能确定它永远不与其他节点阻塞。但实际上晶振存在误差，一般125
晶振的误差为 20PPM，文中控制器晶振频率为 16MHz，那么晶振的误差为±320Hz。
图 3 两节点阻塞示意图
block schematic of two sensor node 130
图 3 所示为无线传感网络中两个传感节点的阻塞过程示意图。传感节点 a、b 每个工作
周期为 t(3min+55ms)，每个周期内两个节点的时间误差 δ1和 δ2的绝对值为：
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180055*320| 1| | 2 | =
16000000
δ δ= = （5）
如果 δ1与 δ2的符号相同，那么 a、b 两个节点将不会发生阻塞；如果 δ1与 δ2的符号不135
同，a、b 两个节点将会在某一时刻发生阻塞。那么从阻塞 1 至阻塞 2 需要的工作周期 N 为：
t 180055= 25000
| 1 2 |
N δ δ = =− （6）
从而阻塞 1 至阻塞 2 所需要的时间 T 为：
* 25000*180055 ( )T N t ms= = = 天 （7）
通过上述计算可以看出，两个节点因时钟误差而造成阻塞的周期为 天，即如果140
网络中只有两个传感节点时，需要 天才有可能应用阻塞造成一组数据丢失。
若某一监测区域中有 M 个节点，由于每个节点相互独立，因而可以按照两节点阻塞的
方法推算阻塞周期及阻塞次数。在 M 个传感节点组成的网络中 i 个传感节点(i ≤ M)阻塞的
周期 Ti为：
1iiT T
−= （8） 145
在时间 Ti内有 i 个节点发生阻塞的次数 Ni为：
ii MN C= （9）
数据丢失率
根据公式（8）和（9）推算得到 M 个传感节点的区域中因阻塞造成的数据丢失率 β为：
2 1
*
M
M i i
M
i
M
N C
MN
β
−
=
−=
∑
（10） 150
由此上式可以看到两节点阻塞造成的数据丢失占所有丢失数据中的绝大部分。表 1 为不
同 M 值的数据丢失率。
表 1 M 个节点数据丢失率
the theoretical data loss rate of M nodes
M 数据丢失率β（%）
2
10
20
40
100
200
155
从上表可以看出网络中节点越多数据丢失率越高，但应用中同一个监测区域的传感节点
数量通常都不超过 44 个，因而总体上数据丢失不严重，满足设计需求。
区域分布式布置
接收节点在接收传感节点的数据时无线信号功率越大则接收节点越容易接收。用信噪比
SNR 来表示，SNR 值越大，表示信号越强，越容易被接收节点所接收。当多个节点发生阻160
塞时，其他传感节点的数据将会变成另一传感节点数据的噪声，信号功率大的噪声能力越强。
无线信号的能量在传播过程中的衰减受多种因素的影响，其中传播距离是影响无线信号能量
主要因素，因此本节只考虑距离因素对无线信号能量的影响。
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图 4 传感节点分布式布置示意图 165
distribution of sensor nodes
图 4（A）中，各个传感节点与接收节点的距离相同，那么接收节点接收 P1、P2、P3
的接收功率是相同的，即 P1=P2=P3。发生阻塞时：SNR(p1,p2)=P1/P2，SNR(p2,p3)=P2/P3，
SNR(p3,p1)=P3/P1。而 SNR(p1,p2)=SNR(p2,p3)=SNR(p3,p1)=1，说明接收节点接收每个传感170
节点数据的可能性相同。
图 4（A）中，各传感节点与接收节点间的距离不相同，有 P2>P3>P1，若发生阻塞时有：
SNR(p2,p1)=P2/P1>1，SNR(p2,p3)=P2/P3>1，SNR(p3,p1)=P3/P1>1。即 3 个节点发生阻塞时，
接收节点接收到 P2 的数据；P2 与 P1 阻塞时，接收节点接收到 P2 的数据；P2 与 P3 阻塞时，
接收节点接收到 P2 的数据；P3 与 P1 阻塞时，接收节点接收到 P3 的数据。由以上分析可以175
知道，对于重要的监测点，应尽量使其与接收节点的位置最近。
4 实验及应用
实验
①自供电电源电压测试
自供电电源电压随着传感节点的工作时间而变化。在实际监测中，环境中的能量可能是180
断续的，而传感节点仍需按照规律工作，因而需要通过实验测试传感节点在不同能量条件下
自供电电压的变化，了解自供电电压变化规律。图 5 为自供电电源电压随节点工作时间的变
化示意图：
图 5 自供电电源电压与工作时间的关系 185
self-powered power voltage test
从图 5 中可以看出传感节点工作时电压波动较小，如 4 天到 10 天这 6 天中虽然能量采
集器不能从环境中获得能量，但电池电压只降低了 。当能量采集器能从环境中获取能
量，且能量较为充足时，多余的能量将存储到电池中，因而电池电压会升高，如第 10~16190
天，第 20~30 天。但电池电压具有最大限制，当达到这个值时，电池电压不会继续升高，处
于饱和状态。
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②无线传输距离测试
无线通信易受外界干扰，强电磁环境对无线通信系统的干扰尤其严重。表 2 所示为复杂
电磁环境条件下接收节点在不同距离接收到传感节点数据组数的统计情况。测试环境为：传195
感节点与接收节点之间包括混凝土结构墙壁、强电井、电梯、工作中的其他频段的仪器等。
表 2 无线通信距离测试
Table 2 test of wireless communication distance
传感节点与接收节
点距离(m) 理论接收数据组数
实际接收数据组数 数据丢失率γ (%)
20 200 200 0
30 200 200 0
35 200 198 1
40 200 182 9
45 200 30 85
50 200 0 100
200
从表 2 可以看出传感节点与接收节点的距离在不超过 30m 的范围内所有的数据都能收
到；在 30 到 40m 之间时，已经发生数据的丢失；而当在 40m 时，数据丢失已非常严重；50m
时，完全不能收到数据。
应用
无线传感网络的传感节点带上电流传感器及温度传感器可以实现对电线的安全监测。电205
流传感器一方面作为传感器对电线的电流进行监测，另一方面电流传感器作为自供电传感节
点的能量采集器。温度传感器用于监测电线的温度，具有低功耗功能，能够满足传感节点的
低功耗要求。通过对电线电流及温度的监测，在监控中心获得电线的电流温度信息，通过电
流温度的趋势提前告知用户电线的安全情况。也可以设置阈值，当电流或温度超过某一阈值
时向用户发出警告。图 6 为自供电节点用于配电箱的电线监测布置图。 210
图 6 电线监测实例
monitoring sample of distribution box
5 结论 215
本文介绍了一种由自供电节点组成的 ZigBee 无线传感网络及应用。测试了自供电电源
的输出能量和 ZigBee 无线传感网络传感节点的功耗，确保电源模块能够满足传感节点的能
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量需要。同时，简化了 ZigBee 协议，既降低了传感节点的功耗，又减少了控制器的负担。
计算了多传感节点时的阻塞周期及数据丢失率，为网络的实施提供了参考。通过实验测试了
无线传感网络的性能，及自供电电源电压变化规律。最后将此无线传感网络用于电线安全监220
测，监控中心能清楚地了解各个电线运行情况，及早发现异常，使其不造成财产损失和人身
伤害。
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