摘 要： 針對磁阻車輛檢測器的功耗進行分析，采用優化休眠降耗法、降頻降耗法兩種低功耗方案，有效降低了檢測器功率。
關鍵詞： 休眠降耗法；降頻降耗法；磁阻車輛檢測器；ZigBee
隨著經濟的發展，城市交通問題越來越嚴重，交通擁堵、交通事故頻發是影響城市交通安全運行的主要因素。利用車輛檢測技術，對車輛進行引導、疏導交通流，合理利用現有的道路資源控制交通流，可有效減少交通擁堵與交通事故的發生。
車輛檢測器是檢測交通流的主要部件。當車輛通過檢測器時，車輛影響地磁場在檢測器周圍的磁力線分布。磁阻車輛檢測器檢測周圍磁場變化，根據磁場變化檢測車輛的信息。通過無線網絡將數據傳輸至控制中心，通過車流量信息控制匝道口的開放與關閉，實現交通流的控制。車輛檢測器埋于地下，車輛檢測器的使用壽命問題是影響系統推廣的主要因素，因此實現低功耗、長壽命是實現車輛檢測器系統實際應用價值的必要條件。
為了延長電池供電系統工作壽命，常見的方法有增加電池容量和降低系統功耗[1]。要增加電池容量就意味著電池體積的增加，導致了傳感器系統體積龐大、安裝不便，不利于工程施工。因此，降低系統功耗是目前國際、國內研究的主要方向。常用的解決方案是利用定時喚醒機制，但喚醒的時間間隔不能過長，否則傳感器不能及時響應，導致數據丟失的發生。因此不論有無讀取信息需求，系統都要進行定時查詢，造成能量消耗，另外定時喚醒需要時鐘電路工作，這意味著MCU不能進入徹底休眠狀態，導致定時喚醒機制不能達到最佳的節能效果[2]。本文針對這一問題，引入中斷喚醒機制(休眠降耗法)、降頻降耗方式為節能提供有效途徑，并對這幾種方法的可行性進行分析，同時利用低功耗的ZigBee網絡技術實現數據傳輸，將系統功率消耗降至最低。ZigBee技術是一種低功耗、低復雜度、低數據傳輸速率、近距離、低成本的雙向無線通信技術，適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中，利用ZigBee網絡實現車輛檢測數據傳輸，具有低成本、低功耗、網絡結構簡單等優點[3]。
1 系統功耗分析
1.1 系統組成
車輛檢測器主要由傳感器、信號調理、無線數據收發和中央控制器組成，系統結構如圖1所示。
車輛檢測器埋于路面之下，以磁阻傳感器感應車輛通過，產生微弱電壓信號，電壓信號經過處理后，轉換為微控制器所需的中斷信號，微處理器檢測中斷信號產生時刻t，與車輛通過傳感器兩個不同車軸產生中斷信號的時間間隔Δt，根據兩個參數可以計算出車輛軸距與車速等信息。
1.2 系統消耗功率分析
系統消耗的功率主要集中在信號調理、微控制器、ZigBee無線收發三部分，表1為影響系統功耗因素列表。
1.2.1信號調理
信號調理模塊的功率消耗主要集中在放大器部分[4]，放大器將傳感器輸出的微弱信號進行放大，根據信號的波動強度調節放大倍數，使得輸出較為穩定。放大級數越多，工作頻率越高；而工作電流越大，消耗功率越大。因此當一級放大可以滿足放大要求時，采用一級放大方式，減少放大級數；選擇低供電電壓、低噪聲、低輸入偏置電流及低靜態電流放大器可有效降低放大器功耗。
1.2.2 微控制器
微控制器為系統控制的核心，在不同工作頻率時，消耗的功率不同。數字電路消耗功率主要包括動態功率與靜態功率。靜態為“0”或“1”的恒定狀態，即當電路狀態沒有進行翻轉(保持高電平或低電平)時，電路功耗屬于靜態功耗；而動態為“0”“1”的跳變狀態，即電路翻轉狀態時，產生的功耗為動態功耗[5]，數字電路總功耗P如下式所示：
式中：VDD為工作電源電壓；IDD為靜態時由電源流向電路內部的電流；ITC為脈沖電流的時間平均值；f為工作頻率；CL為電路輸出端的負載電容。
由于工作頻率f、工作電壓VDD及CL對總功耗有較大的影響，因此，要降低電路的功耗，就需要降低工作頻率、降低工作電壓或盡可能使電路處于靜態工作狀態。
1.2.3 無線射頻模塊
數據傳輸部分是系統主要的能量消耗模塊，數據傳輸速率、發射功率是影響無線傳輸模塊的主要因素[6]。發射功率越大，數據傳輸波特率越高，模塊消耗功率就越大。
2 低功耗設計
2.1休眠降耗法
當系統空閑時，利用休眠功能，系統進入低功耗狀態，中斷的產生會使MCU退出低功耗模式。在具備中斷情況下，MCU可以在整個過程中保持睡眠狀態，只有產生中斷時才被激活，處理器與無線射頻在休眠狀態時，功耗較低。以MSP430系列單片機與射頻芯片CC2520為例，休眠功耗大約只有幾微安[7]。
為了確定方案的可行性，對中斷方式的兩種極端檢測方式進行分析：
(1)誤差計算
①假設車輛最高時速為200 km/h(即55.6 m/s)，車長為2 m，車輛通過傳感器的時間t=2/55.6=36 ms。MCU與射頻電路由睡眠狀態喚醒需要的時間為0.2 ms，誤差為0.2/36=0.56%，誤差較低，如果在軟件中加入校正，此誤差在理論上為零。因此，車輛在高速運行狀態下，中斷啟動方式可以實現。
②假設車速為30 km/h(即8.3 m/s)，車輛通過傳感器的時間t=2/8.3=241 ms，MCU與射頻電路由睡眠狀態喚醒需要的時間為0.2 ms，誤差為0.2/241=0.09%。因此，誤差很低可以忽略不計。
由以上分析可知，此方法誤差很小，利用此方式對系統測量誤差影響很小，方法可行。
(2)功耗分析
①假設車速200 km/h，車輛安全間距為200 m，因此MCU和射頻芯片間歇時間為200/55.6=3.6 s，而MCU與射頻電路正常工作時間僅為t=2/55.6=36 ms，采用此方法可以將功率消耗減少到0.036/(3.6+0.036)=1%。降低功耗效果明顯。
②假設車速為30 km/h(即8.3 m/s)，安全距離為30 m，處理器與無線射頻間歇時間為30/8.3=3.6 s，工作時間為t=2/8.3=241 ms，則功率消耗降低為0.241/(0.241+3.6)=6.3%。
由以上分析可知，利用MCU與射頻芯片的休眠功能，可以很大程度上降低系統消耗功率，特別是在高速路段，可以將系統消耗功率降低為原來的1%，且即使車輛在低速運行過程中，功率也能降低為原來的1/16。
2.2 降頻降耗法
MCU的耗能主要與其工作電壓和工作頻率有關[8]。MCU消耗功率P與工作電壓和工作頻率的關系可由如下公式得到：
P=CV2f (4)
其中C為系統的負載電容，V為電源電壓，f為系統工作頻率。由公式可以看出，電源電壓的大小對系統功耗影響很大(以二次方的形式增加)，其次是系統的工作頻率和系統負載電容。一般系統的負載電容難以控制，所以，在不影響系統工作性能的情況下，選用較低的工作電壓和工作頻率可以有效地降低系統的功耗。
以MSP430單片機為例，MSP430系列單片機具有雙時鐘的特性，當系統工作頻率為4 kHz、工作電壓為3 V時，MCU消耗電流最大為32μA，是系統頻率為1 MHz時消耗功率(595 μA)的1/18，功率降低明顯。
可行性分析：傳感器輸出的數據波形需要利用波形寬度和波峰位置信息，如果不用A/D也可獲得這兩種信息，可以通過降低MCU主頻來降低功耗。該方法的核心問題是尋找替代A/D的測量方式。
一般傳感器檢測到的信號波形類似于正弦波，波形通過一級高增益放大器放大波形進行波形轉換，放大器輸出峰值為3.3 V的類方波，系統省略一級波形轉換電路，利用中斷方式觸發MCU。當放大器輸出電壓值達到1.8 V時，MCU將其判斷為高電平，即可觸發MCU產生中斷，MCU利用測周期方法測量類方波的寬度，并計算出兩個波峰間距。各個模塊的信號波形如圖2所示。
假設車輛最高時速為200 km/h(即55.6 m/s)，車身長為2 m，車輛通過傳感器的時間為t=2/55.6=36 ms。MCU采用主頻4 kHz運行，系統測量誤差為1/4 000=0.25 ms，因此測量寬度為36 ms的波形誤差為0.25/36=0.7%。?駐t大約為整個波形周期的1/20，而此部分可以利用軟件補償，理論上此誤差為零。
2.3 軟件低功耗設計
軟件低功耗的設計目的就是充分利用應用所允許的最深睡眠狀態，確保芯片盡可能長時間地保持在這一狀態下。軟件協議降低功耗主要從以下幾個方面設計：(1)構建低功耗的無線傳感器網絡節點；(2)根據終端節點與接入點之間的距離，利用功率控制技術智能調節發射功率，以降低節點無線通信模塊的能量消耗。軟件流程圖如圖3所示。
3 實驗結果
車輛經過檢測器，系統由休眠狀態喚醒，讀取當前時刻值，測量兩次中斷寬度，將信息數據發送至網絡父節點。每次中斷喚醒，系統向其父節點發送一幀包含車輛信息的數據包，因此，只有在喚醒狀態下，系統功率消耗才會增加。通過實驗，得到功耗降低明顯，在10 min測量時間內，有休眠與無休眠電流曲線比較圖如圖4所示。
降低系統功耗不但可以節約能源，而且可以減小硬件體積、延長硬件使用壽命，因此低功耗設計越來越受到人們的重視。低功耗在系統硬件設計及軟件設計、器件的工藝設計等方面具有較明顯的效果。本文分析了車輛檢測器電路功耗特性，提出了休眠降耗法和降頻降耗法，實驗結果證明這兩種方法降低系統功耗明顯，即使在繁忙的工作時段也能降低70%以上的功耗，從而延長終端節點的使用壽命，使系統更具有實用性。
參考文獻
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