【摘要】为使传统的家电设备具备联网功能，使普通用户在现有住宅条件下都能体验到低成本的智能家居生活，提出了一种基于Zigbee技术的嵌入式智能家居监控系统。为实现低功耗设计，系统首先以低功耗、低成本为原则进行硬件选型，其次针对无线传感网络中节点电池供电生存周期短导致网络失效等缺陷，适当减少节点的采集工作量，结合电源管理机制，设计了定时-外部中断和定时-接收端发起这两种节点休眠模式。系统测试结果表明，传感器节点由2节5号电池供电，能平均维持3个月，其功耗比全功耗发射模式节约了67%左右。
【关键词】智能家居;Zigbee;低功耗;嵌入式
Abstract：To make the traditional household appliances capable of net communication，a smart home monitoring embeded system based on Zigbee technology is designed which can provide low-cost smart home user experience under the existing housing conditions.To realize low power consuming design，the system firstly chooses hardware based on low power consuming and cost principles.Secondly，it adopts power management mechanism to design two WSN sensor node sleep modes of the timing-external interruption and timing-receiving end launching.The testing result shows that such sleep modes can save about 67% Power Consumption with nodes powered by two 5th batteries.
Keyword：Smart Home;Zigbee;Low Power Consuming;Embeded System
引言
为使传统的家电设备具备联网功能，使普通用户在现有住宅条件下都能体验到低成本的智能家居生活，提出一种基于ZigBee的嵌入式智能家居控制解决方案。Zigbee作为一种新兴的无线通信技术，具有近距离，功耗低，低成本、自配置和灵活的网络结构等优点[1-2]，使其适合于组建家庭内部网络，既省去了布线的麻煩，又为家居设备制定了统一的标准，同时还满足了美观的需求。为方便系统的设计、维护及升级，以嵌入式微处理器ARM为主控中心，同时结合Web和GPRS技术，实现用户通过手机或远端PC机对家居环境、设备状态进行远程监控功能。当今人们对于绿色环保追求越来越看重，因此电子产品的耗电问题也是非常的突出，低功耗设计成为智能家居产品的重要指标之一。为实现低功耗需求，系统首先以低功耗、低成本为原则进行硬件选型设计，其次针对传感器网络节点中电池供电生存周期短将导致家庭内网功能失效等缺陷，设计了定时-外部中断和定时-接收端发起这两种节点休眠模式，从而降低节点的功耗，延长节点的电池寿命，以满足现代智能家居系统低成本、高效率、低功耗、高灵活性的要求。
1.系统设计方案
为实现家居设备远程控制智能化，提出了一种基于ARM、Zigbee和GPRS技术的智能家居监控系统，系统总体设计如图1所示：
图1 系统设计总体框图
系统以ARM嵌入式处理器为主控中心，在家庭内部利用Zigbee技术组建星型无线传感网络，其中ZigBee 终端子节点负责采集温湿度数据、气体安全指数、安防、电器状态等信息，Zigbee协调器负责将子节点所采集的信息发送至ARM主控中心，主控中心数根据采集的信息和程序设定的控制策略，再通过协调器发送相关命令控制子节点动作。为满足用户远程监控需求，对外通过在ARM上移植BOA Web服务器，同时利用 GPRS技术接入移动通信网络，满足用户通过移动手机终端或远端PC网页端就可以随时随地对家居环境、电器状态进行查询及控制的便利需求。
2.硬件选型低功耗设计
硬件选型以低功耗为原则，其中ARM微处理器要选择高集成度的低功耗芯片。Zigbee微处理器要支持多种休眠模式，以实现能耗可控。传感器选择不仅要功耗低，还要避免数据采集周期过程长，从而延长Zigbee微处理器的工作时间来增加功耗[3]。具体硬件选型如下：
2.1 主控制中心
选用Samsung S3C2440微处理器为系统的主控中心。S3C2440的内核为ARM公司设计的32位ARM920T的RISC处理器，实现了MMU，AMBA BUS和 Harvard高速缓冲体系结构，平均功耗为 0.7mW/MHz，通过提供一套完整的通用系统外设，无需配置额外的组件，从而减少了整体系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。
2.2 Zigbee模块
选用CC2530开发套件搭建家居内部的无线传感网络。该套件引出了所有的IO接口，既可外接自己的模块，又支持传感器的即插即用，易于开发与调试。CC2530封装了Zigbee协议，结合了结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。CC2530具有五种不同的运行模式，最高工作电流为29mA，睡眠时只有0.1uA，工作电压为 2v-3.6v，且运行模式之间的转换时间短又进一步确保了低能源消耗，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[4]。
2.3 GPRS模块
GPRS模块选用ZTK-SIM900A的GSM/GPRS模块短信电话开发板。SIM900A待机模式电流低于18mA，睡眠模式低于2mA，可以低功耗实现语音、SMS（短信，不支持彩信）、数据和传真信息的传输。
2.4 传感器模块
本系统根据体积小、低功耗、安装方便等原则选取无线传感器，来采集相关家居环境和设备信息[5]：温湿度传感器DTH11，用于采集室内的温湿度参数;温度传感器DS18B20，用于采集热水器、冰箱的温度参数;此外，门磁RG-39、人体红外感应HC-SR501以及气敏传感MQ-2用于家居安防报警。
3.传感器节点低功耗设计
无线传感器节点一般采用电池供电，这样可以避免由电源供电而带来的布线麻烦以及停电故障。但电池能量有限，如何减低节点功耗，延长电池的使用寿命，成为保证家居传感网络能够稳定运行的关键。研究表明，适当降低传感器采集工作量，合理的节点休眠机制是减少无线传感网络功耗的有效措施[6]。
3.1 传感器采集功耗
传感器模块负责对环境、家电设备的信息采集，其功耗可用下述公式表示[7]：
P=W×N （1）
其中W为单次采样的功耗，N为釆样的次数。由此可知，在不影响网络系统正常工作的前提下，降低节点采集数据的次数，能较好地控制该节点的功耗。
3.2 CC2350电源管理
CC2350具有4中不同运行模式如表1所示[8]，其中PM0为最大功率模式，PM3为完全关闭模式。当使用睡眠定时器作为唤醒事件，并结合外部中断时，一般就会进入PM2模式。此模式下仅有低频振荡器开启，节能效果最佳。相比较PM1，当睡眠时间超过3ms时，一般选择PM2。
表1 CC2350运行模式
供电模式 高频振荡器 低频振荡器 稳压器
PM0 A或B C或D 开启
PM1 无 C或D 开启
PM2 无 C或D 关闭
PM3 无 无 关闭
A为32MHz XOSC，B为16MHz RCOSC
C为32KHz XOSC，D为16KHz RCOSC
对CC2350实行电源管理，当节点周围没有需要检测的事件发生时进入休眠模式，系统的主时钟会停止工作，节点的功耗非常低。通过中断唤醒，进入正常模式来完成相关任务，整个工作状态切换时间在微秒级，可以满足智能家居的实际需求。
3.3 节点休眠模式设计
对于气敏烟雾、温湿度等环境传感器，一般情况下不需要实时检测，只需每10min检测一次[8]，如果采集的数据达到预警值，则外部中断唤醒，节点执行相关指令，如液化气浓度异常，则需要发送GPRS报警短信，否则节点继续休眠。因此，对环境检测节点可采取定时-外部中断休眠模式[9]。其流程如下：
图2 定时-外部中断休眠模式
此外，家居用户在外一般情况下不会高频率的访问家居信息，因此，终端节点可以每隔若干个休眠周期监听一次請求帧，来判断是否需要发送数据。当用户需要访问某些数据（如热水器温度）时，终端节点则采取定时-接收发起休眠机制，由上层发出数据请求指令，终端节点根据以下流程发送数据：
图3 定时-接收发起休眠模式
图4 节点电池电压对比
4.传感器节点功耗测试
传感器节点采用两节5号电池进行供电，初始电压为3.2V，以气敏报警子节点为例进行功耗对比，测试分三种情况进行：
①节点采用休眠模式，且所采集数据一直未达到预警状态。
②节点采用休眠模式，且工作6小时后所采集数据达到预警状态，节点被唤醒，系统发送报警短信。
③节点采用全功耗模式。每隔一小时分别测试节点电池的电压值，节点在12小时内的电池消耗比较如图4所示。
测得节点实际运行时的电池消耗对比情况如表2所示：
表2 休眠与全功耗模式电池消耗对比
工作模式 下降电压（12h）
低功耗模式（无异常） 0.03（V）
低功耗模式（一次报警） 0.04（V）
全功耗模式 0.09（V）
从表2看出，系统在采用低功耗措施后，如果节点没有检测到异常情况12小时内电池的电压下降幅度为0.03v，如果期间检测到一次异常情况，系统控制发送报警短信，电池电压下降幅度为0.04v，假设节点工作时间按每天12小时计算，两节干电池可以平均维持3个月左右;而没有采用低功耗措施时，电池电压每天下降0.09v，电池仅能工作一个月左右。由此可见，本文采用的低功耗策略能够节约功耗67%左右。
5.结束语
本文介绍了一款基于Zigbee、ARM和GPRS技术的智能家居监控系统。系统首先以低功耗、低成本为原则进行硬件选型，其次针对无线传感网络中节点电池供电生存周期短导致网络失效等缺陷，适当减少节点的采集工作量，结合电源管理机制，设计了定时-外部中断和定时-接收端发起这两种节点休眠模式。测试结果表明，传感器节点采用合理的休眠模式基本达到了低功耗设计要求。
参考文献
[1]刘礼建，张广明等.智能家居ZigBee网络的构建与路由优化[J].电信科学，2011，32（9）：106-110.
[2]万磊，章勇，李剑.基于ZigBee无线传感器网络的智能家居设计[J].电子科技，2012，25（2）：116-119.
[3]吴祥.基于Zigbee的低功耗农田灌溉监控系统设计与实现[D].电子科技大学，硕士学位论文，2013，19-20.
[4]迁华斐.基于Zigbee和ARM的智能家居系统的设计[D].东北石油大学，硕士学位论文2011，21-22.
[5]杨国斌等.基于WNS 和3G网络的无线远程安防监控系统[J].传感器与微系统，2012，31（12）：76-82.
[6]胡子一等.用于无线传感网的低功耗集成电路技术[J].北京大学学报（自然科学版），2014，50（4）：665-670.
[7]杨冲.低功耗无线传感器网络节点设计[D].北方工业大学，硕士学位论文，2012：8-10.
[8]CC2530中文数据用户手册完全版[0L].http：//.cn/qkpdf/dzsj/dzsj201422/dzsj201422230-1.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文 相关热词搜索： 监控系统 低功耗 智能家居 设计 技术
