zigbee的传感器设计 物联网无线传感器节点设计

物联网无线传感器节点设计

无线传感器节点（ WSN ）在促进物联网（ IoT ）发展方面发挥着关键作用。WSN的优点在于，它的功耗极低，尺寸极小，安装简便。对很多物联网的应用而言，譬如安装在室外的应用，WSN可使用太阳能供电。当室内有光，系统就由太阳光供电，同时为细小纽扣电池或超级电容器充电，以在没有光的情况下为系统供电。

在一般情况下，无线传感器节点是传感器为基础的设备，负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。理想情况下，节点可以由能量收集机制获得作业电源，成为独立运作的设备。从一般意义上讲，能量收集的过程是捕捉并转换来自光、振动，或热等来源的极少量能量为电能的过程。

图 1：能量收集系统设计示例

图 1 显示了能量收集系统的框图。能量是由能量收集系统 （如太阳能板）收集，并由电源管理集成电路 (IC) (PMIC) 转换成稳定的能量，再使用低漏、低阻抗的电容器储存。这些能源能供给传感器接口负载 （譬如微控制器MCU），而MCU是用无线方式来传送数据的传感器。本图中，能量收集传感器（ EHS ）是无线传感器节点。

图 2：无线传感器节点系统示例

图2显示了无线传感器节点的框图。在这里，已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙（ BLE ）以无线方式传输。BLE 是用于短距离、低功耗无线应用的标准，以交流状态或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 频带及二进制频移键控（GFSK）调制下运作，此支持1 Mbps 的数据速率。

而电源管理 IC是用来稳定能量收集设备所要求的功秏，以支持其超低功耗的运作。 打个比方，赛普拉斯S6AE103A PMIC 器件的电流消耗低至280 nA，启动功率为 1.2uW（见图3）。因此，在约100勒克斯（lx） 的低亮度的环境中，紧凑型太阳能电池依然可以获得少量的能量。

图 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框图

高效的无线传感器节点设计

让我们考虑一下设计无线传感器节点所涉及的步骤：

在硬件方面，你需要适当的传感器，一台最终能用能量收集设备供电的MCU及 PMIC。你可能需要额外的无源组件，此视乎设计而定。

传感器可以是仿真或数字形式。现今市面上很多传感器是使用基于集成电路总线（I2C）、串行外设接口 （SPI）或异步收发传输器（UART）界面为标准的数字传感器。电耗极低的传感器在市面上亦有售。为了保持设备成本维持低水平，外形小巧，配有综合BLE的MCU能够简化设计，并缩短推出市场的时间。为了进一步加快设计，许多厂商都使用完全综合，完全通过认证的可编程模块，例如赛普拉斯EZ-BLE Modules。模块由一个主要MCU、两块结晶、芯片或跟踪天线、扩展板及无源组件组成。由于这些模块已经拥有必须的BLE认证，产品可以快速推出市场。

图 4：BLE模块示例：太阳能供能的低功耗蓝牙传感器信标CYALKIT-E02

第 2 步：设计固件和估计功耗

选择了可编程的MCU 后，下一步就是编写适当的固件。固件需要具备的基本功能是收集传感器数据的接口，用无线传送数据的BLE组件或堆栈，和能够负责固件处理的CPU。

由于超低耗运作是关键，电流消耗总和需要由一开始纳入考虑。总计电流消耗是传感器所消耗的电流及MCU 所消耗的电流总和。由于传感器通常不会消耗太多的总电流，其重点应该放在如何将MCU所消耗的电流减至最低。在优化电流之前，要考虑在MCU内在消耗电流的三个主要的组件：CPU、传感器接口模块（如 I2C 、SPI 等）和BLE子系统。这里，当无线电收音机开动（例如BLE Tx及Rx），电流的主要消费者会是BLE电收音机。

嵌入式 MCU 提供各种低功耗模式，以减少电流消耗。固件设计人员需要考虑这些低功耗模式和设计代码，这样，平均电流的消耗就能减至最低。例如，传感数据并不是瞬速变更的，固件需要间中扫瞄传感数据（例如每隔 5 至 10 秒钟，时间间隔视乎传感器而定）。传感器的已读数据通过 BLE， 以无线方式传输。

就 BLE 固件而言，传感器可以连同 BLE 广播包将数据发送。我们建议不要连同广播包转送太多其他数据，因为这样会进一步增加电流。在广播间隔与传感器扫描间隔之间， MCU需进入低功耗模式，譬如是「休眠功能 」。低电耗定时器就如看门狗定时器，可以在定时器倒数完毕时，唤醒设备。 为了使用低功耗操作，MCU进行了优化，提供一个 BLE 内部定时器，当广播间隔结束，可唤醒进入了休眠功能的设备。图 5显示了操作的固件流程。

图 5：为高效无线传感器节点设计而设立的固件流程

只要设计好固件，您可以测量电流。你可以使用原型电路板测量电流。请注意，MCU的启动及低耗模式的电流需要独立量度。只要你知道MCU分别以启动及低耗模式操作的时间，平均的电流消耗是：

有了平均电流的数字，你就可以将它乘以PMIC电压，从而找出平均功率。

第 3 步优化固件，最大限度地降低平均电流消耗

情况有可能是，初始计算出的设计功率的太高，太阳能 PMIC 无法支持。如果是这样，你就需要优化固件。这里有几个有效方法来执行此操作：

执行优化 MCU 的启动代码：当MCU 正在启动，你不需要使用如24MHz晶产时钟的高频外部时钟，以操作BLE。最初就关掉此时钟，能够节约能源。再者，时钟晶体可以利用这些时间稳定下来，而其亦是启动的其中一个部件。这些时钟渐渐稳定下来，MCU 可以再次调较至低耗模式，内部低频时钟可以在时钟预备好的时候唤醒设备。简而言之，启动代码的执行时间可以很长，并且固件设计人员需要尽量减少启动电流消耗。

a.降低主 CPU 运作频率

b.在进入低功率模式前，控制驱动模式，以防止MCU引脚泄漏电流。

c.如果MCU支持任何调试接口，要将它们废除。

这些步骤有助降低平均电流消耗。

第 4 步：设计硬件

有了功耗优化的固件，是时候基于PMIC设计硬件 。图 6 显示了一个简单以能量收集基础的 PMIC 设计。

图 6：简单的能量收集设计

在 PMIC 首先储存太阳能到储存的设备 VSTORE1 (VST1)，此事例为一个300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 达到 VOUTH V，能量就可以发送到 MCU 。但这个简单的能量收集设计不能全日运作，原因是没有备份电容器。让我们来看看，备份电容器如何加配到PMIC设备，和电容器能够如何帮忙MCU。

图 7：能量收集与备份电容器

操作WSN 所需的能量首先存储在 VST 1 ，剩余的能量用于 VST 2充电 。存储在 VST 2 的能量可于没有光线照射的情况下持续提供予 WSN 。此外，还可以连接一个额外的纽扣电池到 PMIC，以增加可靠性，如图8所示 。

图 8：多个电源输入的能量收集

PMIC 转换两种电源来源，以便 WSN 可以在所有条件下（即使没有灯光的情况）运行。转换自动产生，使能源在有需要时供应给WSN 。因此，这可能是 WSN的 最适当的硬件设计。

第 5 步：设计用户界面

连接到无线传感器节点的用户界面设计可以是用WSN传输，以接收数据的手机应用，就是这么简单。由于传感器的数据可能会在广播包固定位置出现，BLE应用可以设计到能够从这些位置提取相关数据，并将数据显示到你的手机上。这种技术可用于管理多个 WSNs 构成的复杂网络。

智能家居：以ZigBee技术实现控制器设计

本文转自公众号 | 嵌入式ARM

本文所介绍的智能家居控制器利用ZigBee技术将家庭中许多相对独立的家用电器构成一个统一的智能家居系统，从而方便对家居中的各种电器设备进行本地操作，同时也可通过互联网或GPRS系统对各种电器设备实现远程控制。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，在众多领域有着广泛的应用前景。

智能家居是一个多功能的综合技术系统，它以家庭住宅为平台，利用先进的计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、信息技术，将家庭中的各种电器设备通过某种形式的网络有机地连接在一起，进行网络化的综合管理与调控，为人们提供一个舒适、安全、方便、环保和高效率的生活环

本文所介绍的智能家居控制器利用ZigBee技术将家庭中许多相对独立的家用电器构成一个统一的智能家居系统，从而方便对家居中的各种电器设备进行本地操作，同时也可通过互联网或GPRS系统对各种电器设备实现远程控制。

一. ZigBee技术简介

ZigBee技术是近几年逐步发展起来，很有市场潜力的一种无线连接技术。它是为了满足低功耗、低数据量和低成本的无线网络要求而诞生的。它基于IEEE无线个人区域网（WirelessPersonal AreaNetwork，WPAN）工作组的80211514标准，被称为ZigBee技术标准。

完整的ZigBee协议由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图1所示。

IEEE80211514标准定义了物理层（PHY）和数据链路层（MAC）；网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定，其中应用层包括了应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和由制造商制订的应用对象。

ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，利用无线通信，通过自组织方式组成星型、网状和簇状3种网络结构，因此每个节点的功能并非完全相同。为了降低系统的成本，IEEE80211514定义了2种物理设备类型：全功能设备FFD （Full FunctionDevice）和精简功能设备RFD（Reduced FunctionDevice）。FFD节点具备控制器的功能，提供数据交换，能够作为网络协调器、路由节点和终端节点来使用，可以与网络中任何类型的设备进行通信；RFD只能作为终端节点来使用，而且只能与FFD通信，两个RFD节点之间不能通信。

Zigbee这一无线通信技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、安全可靠、网络容量大、自组织、自愈能力强等特点，可广泛应用于多个技术领域，有着广阔的市场前景。

二 .基于Zigbee技术的智能家居控制器的设计

智能家居系统的网络通信具有如下特点：

①传输数据量小，无需太大的传输速度；②网络的容量大，以满足家庭中的各种家电设备；③信息的实时性好，时延短。

ZigBee的技术特点决定了其能很好地满足智能家居网络的上述需求，特别是具备自组织、自愈能力，这样的无线通信技术是智能家居系统理想的通信方式。

1、 能家居系统的基本构成

智能家居系统可通过GSM/GPRS/CDMA/网络、ZigBee个域网、互联网以及小区信息网实现信息的互联互通。用户在户外可通过手机调控家中的电器和照明装置，也可及时得到家中的防盗、防火、防煤气泄漏等报警信息；在家中可通过遥控器调控家电设备。控制器还兼有可视对讲系统室内主机功能，能查阅社区发布的各类信息，必要时可向社区保安发出报警求救信号。系统主要由一个智能家居控制器和若干个室内监控ZigBee功能模块组成。系统模型如图2所示。智能家居控制器经2个无线通信网络、互联网以及2条有线通信线路与外部设施实现信息的互联互通，因而智能家居控制器又可视为数字家庭网关。

智能家居控制器内部装有手机模块，通过GSM（GPRS、CDMA）移动通信网络，与用户手机实现双向短消息收发。用户可通过手机短消息实现对家用电器的电源开关控制以及调光、调速控制；控制器以手机短消息的形式向用户手机发送报警信号，供防盗、防火、防煤气泄漏以及家庭突发事件报警用。

控制器内部装有1个ZigBee模块，通过Zig2Bee无线网络与家居中的监控装置进行通信，作为ZigBee网络协调器（FFD）来使用。它负责组建智能家居ZigBee网络，接收系统控制中心发送的指令，并做出相应地处理。同时还要将从路由节点（FFD）或终端节点（RFD）接收到的数据发送给系统控制中心。

室内监控设备按用途可分为3类：第一类为开关与插座，最简单的插座通过小电子开关的通断实现对家用电器（如电饭煲、饮水机、电视、冰箱、空调、洗衣机、电动窗帘以及不需要调光的灯具）的电源开关控制；较复杂的智能开关和插座具有输出功率可调的功能，用于吊灯、落地台灯的调光或电风扇的调速等。第二类为传感器产品，其中热释电红外传感器和门磁传感器用于防盗，烟雾传感器用于防火，瓦斯传感器用于防煤气泄漏，还有手动报警按钮用于突发事件（如孤寡老人突然发病）的报警。这些节点都带有ZigBee模块，作为网络的终端节点（RFD）。第三类为手持遥控器，除实现对家用电器开关控制、调光调速控制外，还具备照明场景设定与控制功能。

若小区配置有物管通信网络和门禁对讲系统，控制器兼备可视门禁对讲系统的室内主机的功能。

控制器上的液晶LCD显示屏可显示访客的图像画面，与访客进行对讲或开锁操作。此外，控制器可接收小区物管发送的各类文字信息；当室内发生意外时，可向小区物管发送报警信号。控制器备有互联网接口，供用户在异地时通过互联网控制家中电器的运行，也可监视家中发生的事件。下一代互联网的问世将为此项功能的应用提供极大的支持，到那时，每个家电及控制器本身都将有自己的静态IP 地址，从而成为网络中的一员。

ZigBee的簇状网络综合了星型和网状结构的特点，我们在实际应用中利用智能家居控制器及ZigBee传感器节点组成簇状网络。它具有良好的可扩展性，对于大户型或别墅用户而言，可以通过增加路由节点来扩大网络覆盖范围；对于小户型的用户而言，可以通过减少路由节点变成星型网络，以节省能量、加快数据传输速度。

2、能家居控制器的硬件设计

2.1 能家居控制器简介

智能家居系统的核心部件是智能家居控制器。其组成框图如图3所示，它以嵌入式处理器为中心，由手机模块、ZigBee模块以及必要的辅助接口组成。智能家居控制器是整个智能家居系统的控制中心，其硬件核心是中央处理器，所有的设备控制、任务调度、通信协议转换、数据收发和数据管理等任务都需要中央处理器。从功能、可扩展性、操作系统支持及功耗等方面考虑，我们选择功能强大的32位ARM9微处理器S3C2410X作为主处理器，存储器选用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。

在人机接口方面，采用5英寸的TFT液晶屏，并配置相应的触摸屏。可用于显示访客图像和小区物管发送的各种信息，并使用户可方便地输入数据去控制各种家居设备。另外为了控制方式更灵活，利用处理器的I2C总线接口设计键盘接口，从而可扩展各种控制、报警方式。控制器有2个通信模块：手机模块和ZigBee模块。手机模块由主机模块、SIM卡接口、音频部分和射频部分组成，采用SIMCOM公司生产的SIM300芯片（GPRS 模块）。与ARM进行数据传输采用标准的RS - 232接口，通过使用AT命令完成对该模块的操作，实现短消息的收发。Zigbee模块采集各种家电设备运行状态并接收各种故障报警信息，通过RS - 232接口与ARM进行数据传递。

控制器配有以太网接口，配合控制器上建立的Web服务器，用户可通过Internet完成对家庭环境及各种家电设备的监控。图3中的RS - 485接口用于与小区物管的通信（与原有的小区网络配合。若为新建小区，可直接使用以太网接口）.利用MAX3232将ARM9的两个USART收发器，组成两个RS - 232端口和一个RS - 485端口。

音频接口利用微处理器内部的IIS总线接口与外部音频数字信号编码器芯片（UDA1341TS）组成。

视频接口采用中芯微的DSP芯片，将视频信号转换成微处理器能够处理的JPG文件格式或二进制图像流，经处理后送LCD屏显示。

2.2 能家居控制器中的Zigbee模块

ZigBee模块采用全功能设备（FFD）类型，它在智能家居系统中承担着网络协调器的角色，可提供信息的双向传输，以连接智能家居系统中其它精简功能设备（RFD）。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU （8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM ，还包含模数转换器、4个定时器、AES - 128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0118μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA ；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430带有2个强大的支持几组协议的US2ART通信接口，通过此通信接口中的一个，S3C2410X处理器可以对CC2430进行写入或读取配置信息，也可以收发数据。CC2430芯片集成了CRC和数据完整性检查等功能，减少了程序员编程的工作量，加快了通信的速度，减少了能量消耗。同时，芯片还采用了CS2MA - CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突，减少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗，其使用寿命可以年来计算，价格便宜，符合传感器网络需要大量分布节点的特点。

控制器通过RS - 232接口利用Zigbee模块采集各种家电设备运行状态并接收各种故障报警信息。

3、 能家居控制器的功能

智能家居控制器操作系统选用开源的嵌入式Linux操作系统，通过裁减后移植到控制器硬件平台上。该智能家居控制器将Linux，ARM系统、手机模块和ZigBee模块组成一个整体，构成了一个功能齐全的嵌入式系统，利用ZigBee技术轻松实现家庭内部多节点的无线连接。智能家居控制器的功能为

（1）采用ARM架构的32位嵌入式RISC处理器和开源的嵌入式linux操作系统；

（2）是智能家居控制系统的控制中心，也是家居系统中信息家电平台的网关；

（3）遇盗抢或疾病，按紧急按钮，自动向管理中心报警；

（4）以家庭为单位配置，利用液晶屏显示小区通知、系统各部分工作状况及数据；

（5）利用ZigBee传感器节点监测各种故障报警数据（火灾、煤气泄漏等），并自动通过手机模块发给用户或小区管理中心；

（6）通过以太网（或RS - 485）与小区管理中心通信；

（7）通过控制器上的无线ZigBee模块与家居系统中各子节点进行通讯，对多种家电设备进行相应的控制；

（8）用户可通过Internet远程监控家庭中的多种家居设备。

智能家居控制器通过Zigbee模块采集各种家电设备的运行状态并将各种故障报警数据存入数据库；对故障报警优先处理，通过手机模块自动发送短信息到用户手机或小区物管，并将现场数据实时存入数据库，以便对各种信息进行进一步的分析和统计。在这里数据库成为了连接前后台的中间件，存储状态数据供远程监控和本地LCD显示，同时接收浏览器和本地键盘输入，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下传及运行状态的上传；同时数据库还需实现故障的分析统计和查询。在本系统设计中，我们采用嵌入式数据库SQLite以满足系统远程控制数据传递、数据共享的要求。

控制器的软件主要分为4个模块：与数据采集接口的通信程序、故障报警程序、本地的人机交互程序和远程控制程序。为了使用户可以在Internet上通过浏览器控制智能家居网络，需要在控制器（数字家庭网关）上架设Web服务器与用户进行通信，并通过CGI接口调用后台CGI程序。CGI程序在Web服务器和控制程序间建立联系，调用具体的控制程序，实现对智能家居网络内部节点的指定操作。它监控网络，随时随地都能知道网络内设备的状态并控制网络内的各种设备。网络监控在家庭网络中也是非常重要的，使用户可以随时了解网络的状况，如设备的加入退出、设备故障等等。

三 .结语

ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。智能家居控制器硬件由先进的ARM9嵌入式系统、手机模块和ZigBee模块组成；操作系统采用嵌入式Linux，家庭网络采用ZigBee无线网络，安全性好，系统功能完善，能够适应今后智能家居发展的需要。

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