CN104850212B - 一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法，包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括MCU、射频芯片、RTC芯片以及数据传输接口，软件部分包括硬件驱动程序和基本网络协议，软件部分还包括功能模块，功能模块包括时段配置模块，多时钟动态切换配置模块，事件结构体和管理队列，进程结构体和管理队列。本发明可以灵活地配置能耗等级，满足突发任务的快速处理，并可适应多任务转换处理，对模块功能进行封装，方便功能的扩展和修改。

Description

一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法。

背景技术

无线感知节点是物联网中不可或缺的关键部分，其对于目标物件的信息感知，信息获取，信息传递都具有支撑作用。无线感知节点广泛应用于户外信息采集，智能水电表，智能家居，智能安防等领域，难以架设持续的供电线路，所以必须采用电池供电，对于功耗的要求较高。

现有的无线感知节点存在以下缺陷：1、现有的无线感知节点由于在硬件设计和软件设计上的非标准化，使得其功耗标准参差不齐，不能根据业务需求动态配置功耗等级，不能适应多种感知需求，功能的设计也没有模块化，扩展性不高。2、现有的无线感知节点软件设计方案普遍采用简单的固定时间状态切换的机制，通过预先设置好的时间间隔，来切换工作休眠状态，这种方案的设计和实现都较为简单和基础，虽然能够在一定程度上实现低功耗的要求，但是扩展性差，且不能根据需求进行后期的动态配置。简单的状态切换机制也不能方便地进行后期功能的增加和修改，在匹配新的传感器模块时会有一定的工作量。

综上所述，现有的无线感知节点无法根据需求动态配置功耗等级；无法灵活增加或者更改模块功能。

以上缺陷，值得解决。

发明内容

为了克服现有的技术的不足, 本发明提供一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法。

本发明技术方案如下所述：

一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法，包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括MCU、射频芯片、RTC芯片以及数据传输接口，所述软件部分包括硬件驱动程序和基本网络协议，其特征在于，所述软件部分还包括功能模块，所述功能模块包括时段配置模块，多时钟动态切换配置模块，事件结构体和管理队列，进程结构体和管理队列；

所述时段配置模块通过时段检测区分工作时段和休眠时段；

所述多时钟动态切换配置模块根据不同工作模式实现不同等级的能耗需求，其包括MCU内部时钟和外部时钟；

所述事件结构体和管理队列用以实现事件响应机制，在用户或者系统产生新的事件处理需求时，通过相关的函数发送事件给相应的处理进程，实现即时的事件触发以及进程间通信；

所述进程结构体和管理队列在进程中封装了相应的功能操作程序，并能够通过绑定事件，将事件传递过来的信息进行处理，处理完成之后也能调用其他的进程处理事件。

进一步的，所述时段检测基于RTC硬件中断，通过配置RTC的天或者小时中断报警，来判断状态切换临界区间，中断之后设置标识符，表示一天或者一小时过去了，此后会进入检测函数检测当前是工作时段还是休眠时段，然后进入相应的状态，休眠时段下，MCU进入最低功耗休眠，仅RTC保持工作，此后由RTC进行中断唤醒操作。

进一步的，所述MCU内部时钟包括高速内部振荡器和低速内部振荡器，所述高速内部振荡器提供MCU工作时钟，且通过寄存器配置改变时钟的工作频率，所述低速内部振荡器用来维持看门狗定时器或者内部RTC定时器。

进一步的，所述外部时钟包括外部副系统时钟，在MCU外接32.768kHz的谐振器产生振荡频率。

进一步的，所述事件结构体和管理队列包括事件产生和事件管理；

所述事件产生包括同步事件产生和异步事件产生，所述同步事件产生后直接处理，所述异步事件产生后放入事件队列等待处理；

所述事件管理采用先到先服务策略，每一次系统轮询只处理一个事件。

所述事件管理设有缓冲区，所述缓冲区通过事件队列来存放各种待处理事件。

进一步的，所述进程结构体和管理队列包括功能封装和事件绑定；

所述功能封装是将功能函数代码封装到进程结构体中，在需要的时候能够调用；

所述事件绑定是将事件和进程绑定，可以有针对性地将事件中的数据交给对应的进程处理。

根据上述结构的本发明，其有益效果在于，

1、本发明依据RTC进行时段配置，结合时钟切换，可以灵活地配置能耗等级。

2、本发明采用轻量化的事件机制，兼顾低功耗的同时，满足突发任务的快速处理，并可适应多任务转换处理。

3、本发明使用进程封装机制，对模块功能进行封装，方便功能的扩展和修改。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明事件处理流程示意图；

图3为本发明进程队列结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法。由硬件设计和软件设计两部分组成。其中硬件部分包括MCU，射频芯片，RTC芯片和通用的数据传输接口，为整体功能提供硬件基础；软件部分包括常规的硬件驱动代码，基本网络协议和功能模块。

功能模块包括时段配置函数、多时钟动态切换配置函数、事件结构体和管理队列以及进程结构体和管理队列。

本发明实现的功能包括：时段配置功能、多时钟动态切换、事件响应机制以及进程化模块功能。其中；

1、时段配置功能

模块能够实现时段检测，以区分工作时段和休眠时段，进一步降低功耗。

时段分类：

①工作时段：节点正常工作，保持事件等待触发状态。

②休眠时段：节点处于休眠模式（SLEEP），硬件进入最低功耗状态。

时段检测基于精确的RTC硬件中断，通过配置RTC的天或者小时中断报警，来判断状态切换临界区间。中断之后设置标识符，表示一天或者一小时过去了，此后会进入检测函数检测当前是工作时段还是休眠时段，然后进入相应的状态。休眠时段下，MCU进入最低功耗休眠，仅RTC保持工作，此后由RTC进行中断唤醒操作。时段能够由主机通过无线进行动态配置，提高了灵活性。

2、多时钟动态切换

为了在不同工作模式下实现不同等级的能耗需求，本模块引入了多时钟动态切换机制，利用MCU内部时钟和外部时钟动态切换。

内部时钟包括：高速内部振荡器和低速内部振荡器。高速内部振荡器提供MCU工作时钟，且可以通过寄存器配置改变时钟的工作频率。低速内部振荡器不能给MCU提供工作时钟，只能用来维持看门狗定时器或者内部RTC定时器等。

外部时钟包括：外部副系统时钟，可以在MCU外接32.768kHz的谐振器产生振荡频率。

本发明中时钟切换原理包括：待机模式（HALT）切换和休眠模式（SLEEP）切换。其中

①待机模式（HALT）切换：

由于待机模式保持待机之前的时钟状态，所以为保证尽可能低的待机电流，需要在进入待机模式之前将主系统时钟切换到低速的外部时钟（32.768kHz），时钟运行稳定后，关闭不需要的外围电路，然后进入待机模式。这样能保证待机模式下具有更低的功耗。待机模式在低功耗的前提下保证了快速唤醒的特点，适合工作周期内的短期重复性待机节能。

②休眠模式（SLEEP）切换：

休眠模式下，MCU主时钟和相应的外围硬件全部关闭，仅打开看门狗定时器和RTC中断，此时，只有低速内部振荡器和RTC时钟工作，功耗相对于待机模式更低，适合长时间的休眠。

3、事件响应机制

事件响应机制类似于消息触发，在用户或者系统产生新的事件处理需求时，通过相关的函数发送事件给相应的处理进程，可以实现即时的事件触发，也能实现进程间通信。事件响应机制替代原有低功耗感知模块的状态转移机制，具有轻量化，简单化，模块化的特点。其包括事件产生和事件管理，其中，

①事件产生：模块有两种方式产生事件，即同步和异步。同步事件触发后直接处理，异步事件产生后并没有及时处理，而是放入事件队列等待处理。两种事件的定义使得模块事件的分类更加明确，适用面也更为广泛。

②事件管理：通过事件队列来存放各种待处理事件的缓冲区，事件没有优先级，采用先到先服务策略，每一次系统轮询只处理一个事件，这样保证了事件处理的有序性和及时性。事件处理流程如图2所示，事件在队列的末尾添加，在队列的开头提取，并判断事件对应的是哪个进程，然后分配给相应的进程进行操作。

4、进程化模块功能

模块的各个功能定义为进程。进程是模块对一个特定事件处理的流程。它采用结构体定义，并存放在进程队列中进行，进程队列如图3所示。

本实施例中，进程封装在结构体当中，包含指向下一进程的指针、进程名称、进程状态、进程优先级以及功能函数。

进程中封装的功能函数能够绑定事件，将事件传递过来的信息进行处理，处理完成之后也能调用其他的进程处理事件。

采用这种机制，模块可以将各个子功能封装到进程结构中，各个功能的通信和互相调用通过事件触发进行处理，方便功能的扩展和修改，简化了代码的复杂度，并且可以保证操作的及时性和有效性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低功耗物联网无线感知节点的设计方法，包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括MCU、射频芯片、RTC芯片以及数据传输接口，所述软件部分包括硬件驱动程序和基本网络协议，其特征在于，所述软件部分还包括功能模块，所述功能模块包括时段配置模块，多时钟动态切换配置模块，事件结构体和管理队列，进程结构体和管理队列；

所述时段配置模块通过时段检测区分工作时段和休眠时段，所述时段检测基于RTC硬件中断，通过配置RTC的天或者小时中断报警，来判断状态切换临界区间，中断之后设置标识符，表示一天或者一小时过去了，此后会进入检测函数检测当前是工作时段还是休眠时段，然后进入相应的状态，休眠时段下，MCU进入最低功耗休眠，仅RTC保持工作，此后由RTC进行中断唤醒操作；

所述多时钟动态切换配置模块根据不同工作模式实现不同等级的能耗需求，其包括MCU内部时钟和外部时钟，所述MCU内部时钟包括高速内部振荡器和低速内部振荡器，所述高速内部振荡器提供MCU工作时钟，且通过寄存器配置改变时钟的工作频率，所述低速内部振荡器用来维持看门狗定时器或者内部RTC定时器，所述外部时钟包括外部副系统时钟，在MCU外接32.768kHz的谐振器产生振荡频率；

所述事件结构体和管理队列用以实现事件响应机制，在用户或者系统产生新的事件处理需求时，通过相关的函数发送事件给相应的处理进程，实现即时的事件触发以及进程间通信；

所述进程结构体和管理队列在进程中封装了相应的功能操作程序，并能够通过绑定事件，将事件传递过来的信息进行处理，处理完成之后也能调用其他的进程处理事件。

2.根据权利要求1所述的低功耗物联网无线感知节点的设计方法，其特征在于，所述事件结构体和管理队列包括事件产生和事件管理；

所述事件产生包括同步事件产生和异步事件产生，所述同步事件产生后直接处理，所述异步事件产生后放入事件队列等待处理；

所述事件管理采用先到先服务策略，每一次系统轮询只处理一个事件。

3.根据权利要求2所述的低功耗物联网无线感知节点的设计方法，其特征在于，所述事件管理设有缓冲区，所述缓冲区通过事件队列来存放各种待处理事件。

4.根据权利要求1所述的低功耗物联网无线感知节点的设计方法，其特征在于，所述进程结构体和管理队列包括功能封装和事件绑定；

所述功能封装是将功能函数代码封装到进程结构体中，在需要的时候能够调用；

所述事件绑定是将事件和进程绑定，可以有针对性地将事件中的数据交给对应的进程处理。