低功耗-基于物联网的智能贴士

摘 要本项目针对单片机以及无线传感网络技术的发展，现状及特点，将低功耗单片机与无线传感器网络进行结合，建立基于 MSP430 与无线传感网络的智能环境数据监测网络，并搭建了网络模型，能够对空气湿度，温度，空气污染度等环境数据进行测量并进行无线传输。With the development of 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 MSP430 and wireless sensor networks to collect parameters of air humidity, temperature, air pollution and other environmental data and the translate with wireless communication.1. 引言90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI ）1996 年开始推向市场的一种16 位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（ Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器。它是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中系统方案。于此同时，很多数据监测系统还在使用传统的高功耗的机器，并且不能进行无线传输显示，费时费力，很不方便。针对以上问题，我们开发了本系统，低功耗且能无线传输，解决了一些特定环境下的数据测量，给人们带来方便。 2 系统方案本系统整体分为两大部分：实地采集模块和主体接受模块，模块之间采用CC1100 双向无线通信。在既要考虑准确度又要考虑功耗，主控制器采用 MSP430低功耗单片机。采集模块的关键取决于传感器的选择，根据实际需要，我们选用了温度传感器 DS18B20、湿度传感器 HS1101、空气污染传感器 MP135、光敏二极管 PT333-3C。目前关于短距离内部网络有许多解决方案，其主要应用无线技术。它省去了花在布线上的费用和精力，灵活性和流动性也符合家庭网络通信的特点，从 WI-FI 到蓝牙，再到今天短距离通信的热点 ZigBee无线定位、无线传感器网络。常用的无线通信协议有 80211b、Bluetooth、UWB、802154(ZigBee) 和自定义协议，80211b 因为功耗高而应用不多，Bluetooth 工作在 24 GHz 频段，传输速率可达 10Mbps；缺点是传输距离只有 10m 左右，完整协议栈需要 有 250KB 的存储单元，不适合使用低端处理器。 CC1100 通信是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只需 32 KB，可以嵌入各种设备中；在通信时，它的连接时间短，可以大大减少通信数据碰撞的概率；在网络安全方面，它对所传输的数据信息进行加密，安全性高，同时支持地理定位功能。以上特点决定 CC1100 通信技术非常适合应用在无线传感器网络中。 3 系统硬件设计3.1 总体描述硬件设备主要由两大部分组成：发送端和接收端。发送端主要由传感器部分和主控芯片 MSP430 以及 cc1100 芯片等组成；接收端主要由主控芯片 MSP430,红外感应，cc1100 及电源等组成。发送端M S P 4 3 0接收端M S P 4 3 0光照传感器湿度传感器温度传感器空气质量传感器T F T 液晶显示无线通信红外感应图 1 总体框图3.2 采集端模块采集端由 MSP 430F149 最小系统、无线通信模块（ RF1100SE）、传感器模块、电源模块及外围电路构成。传 传 传传 传传 传 传传 传传 传 传传 传传 传 传传 传 传传M S P 4 3 0C C 1 1 0 0图 2 采集端硬件框图通过各种传感器将外部环境状态（温度传感器 DS18B20、湿度传感器HS1101、空气污染传感器 MP135、光敏二极管 PT333-3C）转化为模拟信号（电压、频率）或数字信号，经过 MSP430 处理后再通过无线模块将数据传输给接收端。3.3 接收与显示模块接收端由 MSP430F149 最小系统、无线通信模块（RF1100SE ）、2.8 寸320*240TFT 彩屏、红外模块、电源转换及外围电路构成。M S P 4 3 0C C 1 1 0 02 . 8 传 T F T传 传传 传传 传图 3 接收端硬件框图通过 MSP430 控制无线模块接收有采集端传输过来的数据，无线模块采用SPI 方式将接收的数据传输给 MSP430，经过后处理转化为 TFT 彩屏显示的数据，通过并行方式实时将显示数据传输给 TFT。当人体红外传感器感应到人走进接收范围，会自动控制 TFT 显示所获得的最新采集的数据。3.4 电源模块考虑到本系统的便携特性，整个系统采用电池供电。电源模块的整体构思是：先将电源电压（8V-35V）通过 7805 转换成 5V 稳压输出，给传感器采集模块提供 5V 稳压电源，再用 AMS1117-3.3，将电压转换为 3.3V 稳压输出，作为MSP430F149 最小系统以及 TFT 彩屏显示的电源。其具体电路如下图（图 3）所示。图 4 电源模块原理图4 系统软件设计充分考虑 MSP430 的低功耗，在主程序开始初始化各个模块后，便使程序进入低功耗状态，在各个中断中进行各种数据的处理和传输。4.1 采集端设计采集端在定时器中断中处理各项采集到的数据，并将处理好的数据通过CC1100 发送出去。使用 MSP430 的捕获功能来测量信号的频率，利用两次捕获的时间差，得到外部信号的周期及可知道信号的频率；使用 MSP430 模/ 数转换功能下的序列通道多次转换，即可对多个通道进行多次转换，可以实现对多个通道取平均值，且速度比较快。图 5 采集程序流程图4.2 接收端设计接收端通过计数器计数，达到中断时间进入中断处理和接受各项数据，通过调整中断时间，可使系统在不影响接受数据的情况下，达到低功耗时间最长。图 6 接收程序流程图5 系统创新创新点：遵循环保理念，采用低功耗单片机，电池供电，应用范围广，可扩展性强。与一般同类产品相比，制作小巧，操作方便，便于携带。将低功耗与无线完美结合，发挥各自的优点。通过系统方案的探讨，我们设计了一个无线传感网络智能家居系统的演示平台。其内部通信网采用简单的定点发送结构，该网络具有自组织能力。工作模式的转换降低了节点功耗，延长了节点使用寿命。实现了无线技术和低功耗系统的有效结合。 我们实现的系统有如下特点: (1)成本低：在本系统中唯一需要成本投入的是硬件器件。而我们在硬件设计时 已经充分考虑到硬件成本问题，采用的是 MSP430F149，因为它已经把微处理器、ADC 等功能集成到一个芯片上，而且外围电路很少，相应需要的元器件就少，成本很低，而且运行稳定。 (2)体积小：在设计的时候充分考虑到节点体积大小，在不影响系统性能和设计技术的前提下尽量缩小 PCB 板大小，达到便于携带、便于演示的目的。 (3)低功耗：因为所设计的节点都可采用干电池供电，所以这是一个很重要的指标。我们主要从两方面采取措施，最大程度降低系统功耗：首先在硬件方面使用微安级别的 MSP430F149 芯片，使功耗大大降低；其次在软件设计方面，采用定时器方式，使节点在需要发送数据时才进入工作状态，其他时间则处于睡眠状态；彩屏显示通过人体红外控制其工作，从而进一步降低功耗。结合这两 方面的努力，我们把功耗降到最低。 (4)采用模块化的思想，设计了协调器和终端节点的硬件电路，并根据已经封装好的通讯协议和算法，解决了无线传输过程中的种种问题。可以增加新节点或者删除节点；当有新的节点加入或以前节点退出时，不影响整个系统的正常工作。6 评测与结论测试方法：首先给系统上电，然后打开发送端和接受端的开关，带传感器预热完毕后系统开始工作，此时改变接受端传感器周围的环境，看显