低功耗-基于物聯(lián)網(wǎng)的智能貼士

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本項目針對單片機以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)狀及特點，將低功耗單片機與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)合，建立基于MSP430與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并搭建了網(wǎng)絡(luò)模型，能夠?qū)諝鉂穸?，溫度，空氣污染度等環(huán)境數(shù)據(jù)進行測量并進行無線傳輸。</p><p>　　With the development o

2、f MCU and wireless sensor network technology, the project combined the low power consumption MCU and wireless sensor network, set up the network model, and used intelligent environment data monitoring network based on MS

3、P430 and wireless sensor networks to collect parameters of air humidity, temperature, air pollution and other environmental data and the translate with wireless communication.</p><p><b>　　引言</b>&

4、lt;/p><p>　　90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。汽車上一般配備40多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 </p><p>　　MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號

5、處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器。它是由于其針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中系統(tǒng)方案。于此同時，很多數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)還在使用傳統(tǒng)的高功耗的機器，并且不能進行無線傳輸顯示，費時費力，很不方便。</p><p>　　針對以上問題，我們開發(fā)了本系統(tǒng)，低功耗

6、且能無線傳輸，解決了一些特定環(huán)境下的數(shù)據(jù)測量，給人們帶來方便。 </p><p><b>　　系統(tǒng)方案</b></p><p>　　本系統(tǒng)整體分為兩大部分：實地采集模塊和主體接受模塊，模塊之間采用CC1100雙向無線通信。在既要考慮準(zhǔn)確度又要考慮功耗，主控制器采用MSP430低功耗單片機。采集模塊的關(guān)鍵取決于傳感器的選擇，根據(jù)實際需要，我們選用了溫度傳感器DS18B2

7、0、濕度傳感器HS1101、空氣污染傳感器MP135、光敏二極管PT333-3C。</p><p>　　目前關(guān)于短距離內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有許多解決方案，其主要應(yīng)用無線技術(shù)。它省去了花在布線上的費用和精力，靈活性和流動性也符合家庭網(wǎng)絡(luò)通信的特點，從 WI-FI 到藍牙，再到今天短距離通信的熱點 ZigBee∕無線定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的無線通信協(xié)議有802．11b、Bluetooth、UWB、802．15．4(ZigBe

8、e) 和自定義協(xié)議，802．11b 因為功耗高而應(yīng)用不多，Bluetooth 工作在 2．4 GHz 頻段，傳輸速率可達 10Mbps；缺點是傳輸距離只有 10m 左右，完整協(xié)議棧需要 </p><p>　　有250KB 的存儲單元，不適合使用低端處理器。 CC1100通信是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只需32 KB，可以嵌入各種設(shè)備中；在通信時，它的連接時間

9、短，可以大大減少通信數(shù)據(jù)碰撞的概率；在網(wǎng)絡(luò)安全方面，它對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密，安全性高，同時支持地理定位功能。以上特點決定CC1100通信技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 </p><p><b>　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1總體描述</b></p><p>　　硬件設(shè)備主要由兩

10、大部分組成：發(fā)送端和接收端。發(fā)送端主要由傳感器部分和主控芯片MSP430以及cc1100芯片等組成；接收端主要由主控芯片MSP430,紅外感應(yīng)，cc1100及電源等組成。</p><p><b>　　圖1 總體框圖</b></p><p><b>　　3.2采集端模塊</b></p><p>　　采集端由MSP 430F1

11、49最小系統(tǒng)、無線通信模塊（RF1100SE）、傳感器模塊、電源模塊及外圍電路構(gòu)成。</p><p>　　圖2 采集端硬件框圖</p><p>　　通過各種傳感器將外部環(huán)境狀態(tài)（溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101、空氣污染傳感器MP135、光敏二極管PT333-3C）轉(zhuǎn)化為模擬信號（電壓、頻率）或數(shù)字信號，經(jīng)過MSP430處理后再通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸給接收端。</p&

12、gt;<p>　　3.3接收與顯示模塊</p><p>　　接收端由MSP430F149最小系統(tǒng)、無線通信模塊（RF1100SE）、2.8寸320*240TFT彩屏、紅外模塊、電源轉(zhuǎn)換及外圍電路構(gòu)成。</p><p>　　圖3 接收端硬件框圖</p><p>　　通過MSP430控制無線模塊接收有采集端傳輸過來的數(shù)據(jù)，無線模塊采用SPI方式將接收的數(shù)據(jù)

13、傳輸給MSP430，經(jīng)過后處理轉(zhuǎn)化為TFT彩屏顯示的數(shù)據(jù)，通過并行方式實時將顯示數(shù)據(jù)傳輸給TFT。當(dāng)人體紅外傳感器感應(yīng)到人走進接收范圍，會自動控制TFT顯示所獲得的最新采集的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　3.4電源模塊</b></p><p>　　考慮到本系統(tǒng)的便攜特性，整個系統(tǒng)采用電池供電。電源模塊的整體構(gòu)思是：先將電源電壓（8V-35V）通過7805轉(zhuǎn)換成5

14、V穩(wěn)壓輸出，給傳感器采集模塊提供5V穩(wěn)壓電源，再用AMS1117-3.3，將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V穩(wěn)壓輸出，作為MSP430F149最小系統(tǒng)以及TFT彩屏顯示的電源。其具體電路如下圖（圖3）所示。</p><p>　　圖4 電源模塊原理圖</p><p><b>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　充分考慮MSP430的低功耗，在主程序

15、開始初始化各個模塊后，便使程序進入低功耗狀態(tài)，在各個中斷中進行各種數(shù)據(jù)的處理和傳輸。</p><p><b>　　4.1采集端設(shè)計</b></p><p>　　采集端在定時器中斷中處理各項采集到的數(shù)據(jù)，并將處理好的數(shù)據(jù)通過CC1100發(fā)送出去。使用MSP430的捕獲功能來測量信號的頻率，利用兩次捕獲的時間差，得到外部信號的周期及可知道信號的頻率；使用MSP430模/數(shù)

16、轉(zhuǎn)換功能下的序列通道多次轉(zhuǎn)換，即可對多個通道進行多次轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)對多個通道取平均值，且速度比較快。</p><p>　　圖5 采集程序流程圖</p><p><b>　　4.2接收端設(shè)計</b></p><p>　　接收端通過計數(shù)器計數(shù)，達到中斷時間進入中斷處理和接受各項數(shù)據(jù)，通過調(diào)整中斷時間，可使系統(tǒng)在不影響接受數(shù)據(jù)的情況下，達到低功耗時間

17、最長。</p><p>　　圖6 接收程序流程圖</p><p><b>　　5系統(tǒng)創(chuàng)新</b></p><p>　　創(chuàng)新點：遵循環(huán)保理念，采用低功耗單片機，電池供電，應(yīng)用范圍廣，可擴展性強。與一般同類產(chǎn)品相比，制作小巧，操作方便，便于攜帶。將低功耗與無線完美結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)點。</p><p>　　通過系統(tǒng)方案的探討

18、，我們設(shè)計了一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的演示平臺。其內(nèi)部通信網(wǎng)采用簡單的定點發(fā)送結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力。工作模式的轉(zhuǎn)換降低了節(jié)點功耗，延長了節(jié)點使用壽命。實現(xiàn)了無線技術(shù)和低功耗系統(tǒng)的有效結(jié)合。 </p><p>　　我們實現(xiàn)的系統(tǒng)有如下特點: </p><p>　　(1)成本低：在本系統(tǒng)中唯一需要成本投入的是硬件器件。而我們在硬件設(shè)計時 已經(jīng)充分考慮到硬件成本問題，采用的是 MS

19、P430F149，因為它已經(jīng)把微處理器、ADC等功能集成到一個芯片上，而且外圍電路很少，相應(yīng)需要的元器件就少，成本很低，而且運行穩(wěn)定。 </p><p>　　(2)體積?。涸谠O(shè)計的時候充分考慮到節(jié)點體積大小，在不影響系統(tǒng)性能和設(shè)計技術(shù)的前提下盡量縮小 PCB 板大小，達到便于攜帶、便于演示的目的。 </p><p>　　(3)低功耗：因為所設(shè)計的節(jié)點都可采用干電池供電，所以這是一個很重

20、要的指標(biāo)。我們主要從兩方面采取措施，最大程度降低系統(tǒng)功耗：首先在硬件方面使用微安級別的MSP430F149芯片，使功耗大大降低；其次在軟件設(shè)計方面，采用定時器方式，使節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時才進入工作狀態(tài)，其他時間則處于睡眠狀態(tài)；彩屏顯示通過人體紅外控制其工作，從而進一步降低功耗。結(jié)合這兩 方面的努力，我們把功耗降到最低。 </p><p>　　(4)采用模塊化的思想，設(shè)計了協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的硬件電路，并根據(jù)已經(jīng)封

21、裝好的通訊協(xié)議和算法，解決了無線傳輸過程中的種種問題?？梢栽黾有鹿?jié)點或者刪除節(jié)點；當(dāng)有新的節(jié)點加入或以前節(jié)點退出時，不影響整個系統(tǒng)的正常工作。</p><p><b>　　6評測與結(jié)論</b></p><p>　　測試方法：首先給系統(tǒng)上電，然后打開發(fā)送端和接受端的開關(guān)，帶傳感器預(yù)熱完畢后系統(tǒng)開始工作，此時改變接受端傳感器周圍的環(huán)境，看顯示數(shù)據(jù)是否發(fā)生對應(yīng)的變化，無誤后

22、說明系統(tǒng)工作正常。</p><p><b>　　圖7 測試流程圖</b></p><p>　　測量指標(biāo)：對溫度，光照強度，空氣污染度，相對濕度進行測量</p><p><b>　　表1 測量指標(biāo)</b></p><p><b>　　附錄</b></p><p