智能家居低功耗传感器网络系统开发研究

2020-05-27刘潇潇

通信电源技术 2020年6期

刘潇潇

（中国电子科技集团第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150028）

0 引言

在信息技术飞速发展下，智能家居逐渐进入千家万户，传感器作为家居系统中的重要内容，也是智能化的基础所在。当前，部分系统仍采用传统有线传感器，一旦增加一个节点，便需要重新设计线路，为人们带来极大不便。对此，无线传感器应运而生，不但具有自组织能力，还低耗节能，在智能家居中得到高效利用。

1 智能家居传感器网络系统设计

1.1 系统构成

智能家居系统较为庞大，对设备功耗要求较高，无线传感器作为其中的重要内容，主要作用在于检测和调节家居环境，包括节点、协调器和家庭网关三项内容。在家庭内部网络中，以星形结构为主，协调器的主要功能为传感器网络构建，通过多个节点对温度、亮度、湿度等因素进行检测处理后，由无线网发送到协调器中，并传递给主控制器，由主控器根据无线网进行信号传输，使其被传递到被控端。此外，主控器还有一个功能，便是在家庭网络与外界互联网之间充当桥梁作用，实现远程查询，对家居中的家电进行智能控制。由于系统对设备功耗提出较高要求，可采用Zigbee协议。该协议具有低功耗、低成本、低速率的特点，有助于延长网络寿命，增强系统运行稳定性。

1.2 硬件设计

对于不同的应用，无线传感器节点的构成有所区别，通常包括数据采集、收发、处理与电源四项内容，具体如下。

（1）数据采集。对于不同节点，数字传感器不尽相同，主要体现在温湿度、亮度等方面，如若该节点被应用到被控端或者协调器中，则无需该模块。

（2）数据收发。主要由CC2420 射频模块构成，在节点中还需求串口通信与家庭网关之间进行数据交换。

（3）数据处理。采用MSP430 系列的单片机，具有低功耗特点，可满足多样化节点需求，合理选择与之相对应的单片机。

（4）电源。主要作用是为射频模块、单片机与传感器等设备提供电能。

在CC2420 应用过程中，对外部原件的需求较少，外围电路包括射频传输、晶振时钟、微控制器接口等内容。芯片信号不但可从有源晶振中获取，还可从内部电路中获得；射频电路的作用在于配合芯片传输阻抗。在CC2420 运行中，可通过4 线SPI 总线确定芯片的运行模式，并完成存储数据、读写状态等工作。在SPI 总线接口中，可完成地址与数据传输的工作，且数据传输时CSn 务必要保持低电平。此外，还可通过CCA 管脚状态，对通道数据进行控制，对时钟和定时信息进行传输，上述接口需要与对应管脚连接后，才可对射频功能进行管控[1]。

1.3 软件设计

在该系统中，软件是在μC/os-Ⅱ的基础上设计，μC/os-Ⅱ是一个可移植、源码公开、可裁剪的实时多任务操作系统，该系统中大多数源码由ANSIC 编制，对系统资源的占用较少，最小化内核可编译到2k，在传感器节点中充分适用。该系统的软件设计包括嵌入式系统移植，在μC/os-Ⅱ的基础上进行程序编写，除了采用与μC/os-Ⅱ配置相关的内容外，还可将C语言应用到程序设计中。

（1）μC/os-Ⅱ的移植。可总结为两点，即定义基本配置和系统相关函数。前者主要包括编译器相关数据、CPU 状态寄存器、宏定义等，可完成中断线与任务栈之间的分离。后者主要包括任务初始阶段构建的任务栈函数、钩子函数与其他函数等。

（2）应用程序编写。当μC/os-Ⅱ移植完毕后，可在此基础上编写程序，主函数的作用在于创建任务、开始多任务调度、启动CC2420 等，根据节点应用环境还可创建更多新任务；协调器的作用在于构建网络，对节点的增减情况进行查询；终端节点的作用是查询并连入网络，软件体系如图1 所示[2]。

图1 软件体系框图

2 智能家居传感器低功耗措施

2.1 硬件部分

在MSP430 单片机中，主要优势在于超低功耗，当电流低于1 μA 时，I/O 传输漏电流最高可达到50 nA。在电压为3 V 的工作模式下，电流大多在300 μA 左右。在低功耗模式下，电流值在55μA 左右。CC2480无线收发器可在电压为3 V 的状态下，使数据电流处于26.7 mA，在休眠状态下，电流数值低于1 μA；在节电模式下，电流值在27.1 mA 左右。

2.2 软件部分

如若采用低功耗器件设计节点，系统始终处于运行模式，则2 000 mAh 的3.3 V 电池的寿命仅为73.8 h，可见软件低功耗设计的重要性。在软件部分的低功耗措施主要在于任务调度管理，可采用如下方式来实现。

（1）当系统中有多个任务同时进行时，μC/os-Ⅱ规定一个程序必须有对应的空闲任务，且该任务无法删除。对此，可对钩子函数进行优化，使系统在处于空闲状态之前，以低功耗模式运行。

（2）当系统处于空闲状态下，如若接收空闲任务的时间超出设定值，则应先将传感器、CC2420 等芯片进入到休眠状态，此时系统自动休眠，处于低功耗模式下，如若在此过程中无待处理事件发生，可进入睡眠状态，如若有事件发生，可进入休眠状态，如若该事件为有效事件，则系统可恢复到正常的运行模式。

（3）在家居环境监测中，无需监测系统长期处于工作状态，一般每小时只需监测6 次即可；在任务调度过程中，在执行任务后，可在短期内无需再次执行，如光亮、温湿度等，此时系统将进入到睡眠状态；当系统中全部任务均处于睡眠状态后，如若睡眠时间已到，则CPU 开始工作，调度功能恢复。通过家居环境中温湿度的检测，通过Zigbee 节点可对数据收发与简单组网功能进行测试，使系统能够稳定高效的运行[3]。