智能家居低功耗傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】智能家居低功耗傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計0引言

隨著計算機技術和通訊技術的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展。傳感器是智能家居系統(tǒng)中的重要組成部分，也是智能化的基本和重要的部分。隨著智能化要求的提高，越來越多的傳感器被引入智能家居系統(tǒng)中，如果還是采用傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡，就必須提前設計鋪設大量電纜，一旦要增加一個傳感器節(jié)點，就需要重新再布一條線路，在別墅此類大型家居網(wǎng)路中，其缺陷更加明顯了。而且在已經裝修布線完畢的家居中，有線網(wǎng)絡的引入更是不方便。無線傳感器網(wǎng)絡，除了省去布線這個麻煩外，還具有自組織能力，在節(jié)點的增減上非常方便，本文將無線傳感器網(wǎng)絡應用在智能家居系統(tǒng)中，提出了一種以超低功耗單片機為處理器，嵌入式操作系統(tǒng)為平臺的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡的設計方法，從而到達家居中的節(jié)能目的。

1系統(tǒng)構成及實現(xiàn)的功能

智能家居系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，本設計的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)主要應用在對家居環(huán)境的檢測和調節(jié)，主要是由三部分構成：傳感器節(jié)點、協(xié)調器和家庭網(wǎng)關，如圖1。整個家庭內部網(wǎng)絡采用星形網(wǎng)絡構造為主，具體實現(xiàn)功能：由協(xié)調器負責整個無線傳感器網(wǎng)絡的構建，通過不同的傳感器節(jié)點對溫度、亮度、濕度等環(huán)境參數(shù)開展檢測、處理后，通過無線網(wǎng)絡傳給網(wǎng)絡協(xié)調器，網(wǎng)絡協(xié)調器將數(shù)據(jù)傳給具備家庭網(wǎng)關功能的主控制器，控制器通過無線網(wǎng)絡來發(fā)送控制信號到被控端（燈光、空調以及其他家電控制器）。主控制器的另外一個功能就是將整個家庭網(wǎng)絡跟外界Internet網(wǎng)絡互聯(lián)，實現(xiàn)遠程查詢狀態(tài)、控制家居中家電。

圖1家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖

現(xiàn)在常用的短距離無線通訊技術主要有：藍牙（Bluetooth）、Wi-Fi和Zigbee技術。表1列出了這三種技術的比照。在家庭傳感器網(wǎng)絡中，對環(huán)境參數(shù)如溫度、亮度以及濕度等數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不是很高，而對設備的功耗要求倒是比較高的，鑒于Zigbee協(xié)議具有低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點，本設計的家庭網(wǎng)絡通訊采用Zigbee協(xié)議。

表1三種無線通訊技術比照

由于篇幅限制，本文主要介紹家庭網(wǎng)絡節(jié)點的設計。Zigbee通訊節(jié)點主要是用在傳感器節(jié)點、子控制器以及協(xié)調器之間的通訊。采用TI公司的MSP430系列超低功耗單片機與CC2420無線收發(fā)芯片結合，以嵌入式操作系統(tǒng)為平臺，通過節(jié)能策略對任務的調度管理到達降低節(jié)點功耗，起到延長網(wǎng)絡壽命和增強穩(wěn)定性的效果。

2家庭網(wǎng)絡節(jié)點的硬件實現(xiàn)

2.1Zigbee技術。

Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。

其特點是近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，可以嵌入各種設備。Zigbee采用自組織方式組網(wǎng)，這種架構被稱為無線根底架構的無線局域網(wǎng)，這種架構對網(wǎng)絡內部的設備數(shù)量不加限制，并可隨時建立無線通信鏈路，協(xié)調器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，一個新添的節(jié)點會被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)。

2.2節(jié)點硬件構成

根據(jù)不同的應用，無線傳感器節(jié)點的組成不盡相同，但是一般是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理和電源這四部分構成。

（1）數(shù)據(jù)采集：不同的節(jié)點有不同的數(shù)字傳感器，溫度、濕度、亮度等傳感器。如果該網(wǎng)絡節(jié)點是應用在被控端和協(xié)調器中，則不需要數(shù)據(jù)采模塊。

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)：由CC2420無線射頻模塊構成，在協(xié)調器節(jié)點還需要串口通訊與家庭網(wǎng)關開展數(shù)據(jù)交換。

（3）數(shù)據(jù)處理：MSP430系列超低功耗單片機，根據(jù)不同的節(jié)點要求，采用不同型號的單片機。

（4）電源：負責單片機、無線射頻模塊以及傳感器等器件的供電。

CC2420是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標準的Zigbee兼容射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是款適用于Zigbee產品的RF器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

對CC2420的操作來說，只需要少量的外部原件，其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三部分。芯片本振信號既可由外部有源晶振提供也可以有內部電路提供。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入/輸出阻抗。CC2420可以通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK，CSn）設置芯片的工作模式，并可實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)存放器等。圖2就是CC2420部分的電路圖。在SPI總線接口上的開展的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。

另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制去除通道數(shù)據(jù)，通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器相應管腳相連來實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

圖2CC2420電路原理圖

作為主控制器的MSP430系列單片機，是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器（MixedSignalProcessor），特點是超低功耗和功能集成。本設計采用了不同系列的單片機，本文以MSP430F149單片機為例子，工作電壓為1.8V～3.6V，待機電流小于1μA，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時耗電僅0.1μA，在活動模式時耗電250μA/MIPS，I/O輸入端口的漏電流為50nA。通過控制位可以設定一種活動模式和5種低功耗模式，同時內部集成有豐富的片內外設，片內JTAG調試接口令其開發(fā)方式方便快捷，特別是它的功耗低、體積小，因此適合選用。

圖3是節(jié)點硬件連接框圖，圖中的LED指示燈是測試時候用來指示數(shù)據(jù)的傳輸、節(jié)點的發(fā)現(xiàn)以及節(jié)點休眠等狀態(tài)。串口通訊模塊是在協(xié)調器中與家庭網(wǎng)關開展數(shù)據(jù)通訊，在被控端節(jié)點中，數(shù)據(jù)采集模塊和串口通訊模塊也都不需要，這里為了節(jié)省篇幅，故都集中到一張圖來說明。節(jié)點通過數(shù)據(jù)采集模塊采集到數(shù)據(jù)，如溫度、亮度、濕度等，再經微控制器對數(shù)據(jù)開展處理，同過CC2420無線收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳送到主控制器。

主控制要查詢環(huán)境參數(shù)，改變環(huán)境的亮度、溫度、濕度也是通過CC2420將命令傳送到傳感器節(jié)點或者是終端控制器。

圖3節(jié)點硬件連接框圖

3軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件都是基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II設計的。μC/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSIC寫的，μC/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源，它的化內核能編譯到2K，很適用于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。

整個軟件的設計包括嵌入式系統(tǒng)的移植以及在μC/OS-II內核根底上，應用程序的編寫。除了移植μC/OS-II中配置與CPU有關的用匯編語言編寫，整個程序設計采用C語言開展程序設計。

3.1μC/OS-II在MSP430單片機上的移植

μC/OS-II在MSP430單片機的移植可以歸納為以下兩個部分：一是定義基本配置，二是實現(xiàn)系統(tǒng)相關函數(shù)。

定義基本配置主要包括：（1）定義編譯器相關的數(shù)據(jù)類型；（2）設置堆棧單位；（3）定義CPU狀態(tài)存放器；（4）定義堆棧的增長方向；（5）宏定義：包括開關中斷的宏定義，以及開展任務切換的宏定義；（6）系統(tǒng)中斷棧指針，實現(xiàn)中斷棧與任務棧分離。

這里值得說明的是，由于MSP430單片機RAM空間一般都比較小，而μC/OS-II發(fā)生中斷直接把現(xiàn)場保存在所運行的任務的堆棧上，所以每個任務堆棧必須留下足夠的空間保存中斷堆棧，因此造成RAM空間的浪費。所以要實現(xiàn)μC/OS-II中斷棧與任務棧分離。實現(xiàn)μC/OS-II把中斷棧與任務棧分離節(jié)省RAM空間，代價是增加任務調度時間。

實現(xiàn)系統(tǒng)相關函數(shù)主要包括建立任務時初始化任務棧函數(shù)，鉤子函數(shù)以及其他函數(shù)等等，這里就不一一列舉。

3.2應用程序編寫

μC/OS-II操作系統(tǒng)移植后，應用程序的編寫就在其上面，以任務的形式編寫。

圖4節(jié)點軟件體系框圖

在μC/OS-II操作系統(tǒng)中，主函數(shù)的功能主要就是初始化操作系統(tǒng)，創(chuàng)立起始任務，開始多任務調度。圖4是節(jié)點軟件體系框圖。

起始任務：初始化、使能端口（SPI端口、CC2420控制端口、UART端口、I/O端口等）；啟動CC2420；根據(jù)節(jié)點的應用場合創(chuàng)立其他任務（數(shù)據(jù)采集任務、數(shù)據(jù)收發(fā)任務、串口通訊任務、控制任務等）；執(zhí)行起始任務主體，協(xié)調器的起始任務主體是：構建整個網(wǎng)絡、查詢有無新增、減少節(jié)點；終端節(jié)點的任務主體是：

查詢網(wǎng)絡，參加網(wǎng)絡。

數(shù)據(jù)采集任務：初始化傳感器芯片；通過傳感器芯片檢測環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、亮度、濕度等）。

數(shù)據(jù)收發(fā)任務：負責收發(fā)采集的數(shù)據(jù)、反應的信息、主控制器的控制指令等。

串口通訊任務：負責協(xié)調器與家庭網(wǎng)關之間數(shù)據(jù)交換。

控制任務：終端節(jié)點執(zhí)行主控制器的指令，調節(jié)溫度、亮度、濕度等。

μC/OS-II是一個可搶占的多任務嵌入式實時操作系統(tǒng)。任務有64個優(yōu)先級，這種優(yōu)先級算法有利于保證系統(tǒng)的實時性，使高優(yōu)先級任務及時得到響應，但是，這種多任務調度并沒有考慮到低功耗的應用。針對無線傳感器節(jié)點的特性，其需要的任務不是很多，但對低功耗要求大，對此對μC/OS-II的任務調度做些改良。

3.3低功耗策略

硬件上采用低功耗芯片，低節(jié)點的功耗，提高網(wǎng)絡的壽命。軟件部分主要是在任務調度管理上實現(xiàn)的。

在具體實現(xiàn)過程中，采用的低功耗改良策略如下：

1）在多任務系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)經常會在某個時間內無用戶任務可運行而處于空閑狀態(tài)。在μC/OS-II中規(guī)定，一個用戶程序必須使用一個空閑任務OSTaskIdle（），而且這個任務不能用軟件刪除的?；诖?，本設計對該任務的鉤子函數(shù)開展改良，在系統(tǒng)進入空閑任務前，進入低功耗模式。

把OSTaskIdleHook（void）改寫成：

voidOSTaskIdleHook（void）

{

LPM0；/*進入低功耗模式LPM0*/

}

2）在系統(tǒng)進入空閑任務時，系統(tǒng)開展計時，如果系統(tǒng)在空閑任務工作的時間超過預先設定的值，則先將外圍芯片如CC2420、傳感器等芯片進入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)自動進入休眠功耗模式。如果在休眠狀態(tài)下，沒有發(fā)生需要系統(tǒng)處理的事件，則進入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，如果發(fā)生事件，則先進入休眠狀態(tài)，如果事件對系統(tǒng)是有效事件，則系統(tǒng)恢復運行模式。

3）在任務調度方面，如果任務執(zhí)行后，在短期時間內不需要再執(zhí)行，（如對燈光亮度，溫度、溫度采集的任務就不需要時時刻刻在運行）則將任務進入睡眠狀態(tài)。當系統(tǒng)所有任務都進入睡眠狀態(tài)的時候，系統(tǒng)進入睡眠模式。如果任務睡眠時間到，則激活CPU，重新開始調度。

根據(jù)MSP430F149處理器和CC2420芯片的不同的工作模式，低功耗模式的選擇可以根據(jù)實際情況選擇。

如CPU電壓為3V的情況下在活動模式下耗電300μA，在LPM0低功耗模式下，耗電為55μA，在LPM1低功耗下耗電17μA，在LPM4低功耗模式下為0.1μA等。而CC2420穩(wěn)壓器關閉為0.02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18.8mA，發(fā)送模式（輸出功率P=0dBm）為17.4mA。

系統(tǒng)的功耗的降低就取決于系統(tǒng)休眠的時間，而家庭網(wǎng)絡中，像光度、溫度、濕度等類的環(huán)境傳感器一般情況下是不需要檢測時間遠遠大于檢測時間，因此從軟件上對節(jié)點任務調度管理，能夠極大的降低系統(tǒng)功耗。

4結語

設計調試過程中，以DS18B20溫度傳感器為對環(huán)境數(shù)據(jù)采集，整個系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定。本設計將無線傳