嵌入式傳感器節(jié)點設計及其應用

侯慶志　熊繼軍

【摘要】 針對現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)應用中傳感器節(jié)點的設計存在大量重復開發(fā)、擴展能力不強等不足，以高性能的STM32微處理器和uC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)為核心，采用Zigbee無線通信技術(shù)，設計了一種具有高擴展能力的通用嵌入式傳感器節(jié)點。該傳感器節(jié)點提供多樣化的傳感器和外擴功能接口，方便各種傳感器的連接和功能的擴展。在uC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下可快速搭建面向物聯(lián)網(wǎng)研究和應用的專用傳感器節(jié)點。實際應用測試表明，節(jié)點良好地實現(xiàn)了高性能、低功耗、高擴展能力和復用性的設計目標，為加快物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和應用打下了良好的基礎。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 通用性 高擴展能力 無線傳感器網(wǎng)絡

目前各機構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā)中相對獨立[1-2]，勢必造成傳感器節(jié)點的大量重復開發(fā)。它能夠根據(jù)具體的應用場合對軟硬件進行擴展或裁剪，從而快速搭建專用的傳感器節(jié)點。

一、通用嵌入式傳感器節(jié)點硬件平臺設計

1.1 傳感器節(jié)點功能模塊劃分

根據(jù)節(jié)點設計原則，將通用嵌入式傳感器節(jié)點的硬件平臺分為以下幾個模塊：（1）核心模塊。主要包括微處理器和外擴存儲芯片，負責傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲。（2）傳感器和外擴功能接口模塊。提供多種數(shù)字傳感器以及模擬傳感器的通信接口、通用I/0口，方便傳感器和其他功能的擴展。（3）通信模塊。包括無線模塊和RS232接口，完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送、通過串口和上位機通信。（4）電源模塊。為節(jié)點工作提供電源。

1.2 核心模塊設計

（1）微處理器。微處理器是嵌入式傳感器節(jié)點工作的核心部件，不僅控制和管理節(jié)點的工作，也是各種功能擴展和實現(xiàn)的基礎。本節(jié)點設計采用ST公司的STM32F103微處理器。STM32F103基于針對低功耗和高性能應用的Cortex-M3內(nèi)核，其時鐘頻率為72MHz，具備較強的數(shù)據(jù)處理能力；它具有豐富的外設接口，包括多個IIC、SPI接口以及USB、UART等接口電路，方便節(jié)點功能的擴展；集成12位A/D轉(zhuǎn)換器，不需要外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，降低了外圍電路的復雜程度。此外STM32F103有多種低功耗模式，并能夠通過實時時鐘喚醒工作，可以有效降低節(jié)點的功耗。

為降低節(jié)點的功耗，使用該模塊時注意兩個問題：（1）在不影響通信距離要求的前提下，盡可能降低發(fā)射功率；（2）發(fā)送完成后，將節(jié)能控制引腳、發(fā)送使能和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳置為0，可以有效降低XBee-Pro模塊的功耗。

1.3 傳感器和外擴功能接口模塊

接口模塊主要用于為外接傳感器提供接口，接口和一個針對模擬傳感器應用的可編程增益放大器。目前還沒有標準的數(shù)字傳感器通信總線，不過有調(diào)查結(jié)果表明，SPI串行外圍接口和IIC總線被廣泛用于大多數(shù)類型的測量及傳感器中，具有一定的通用性。

可編程增益放大器主要用于對模擬傳感器的信號進行放大，采用可編程功能可選放大倍數(shù)，可以滿足不同的信號放大需求。該芯片采用美國微芯公司生產(chǎn)的MCP6S28芯片，它有8個可供選擇的增益，可在多個通道之間切換。該芯片的靈活性，簡化了模擬部分電路，滿足節(jié)點的通用設計。

二、節(jié)點應用測試

通用嵌入式傳感器節(jié)點已經(jīng)在江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心得到應用。應用結(jié)果表明，傳感器節(jié)點工作穩(wěn)定可靠、擴展能力強，節(jié)點搭建方便。在應用中針對節(jié)點的功耗做了測試，節(jié)點在多種工作狀態(tài)下的功耗如表1所示。

從以上分析可以得出，節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時功耗會較大，主要是無線收發(fā)模塊的功耗相對較高導致。由于節(jié)點采用低功耗模式和工作模式交替運行，每工作0.5分鐘，節(jié)點即進入低功耗模式，待機時間設置為10分鐘，所以節(jié)點的平均功耗得到有效降低，實現(xiàn)了低功耗的目的。

參 考 文 獻

[1] 陳德裕，張憲隸，顧曉濤. 物聯(lián)網(wǎng)下的嵌入式家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（9）：105-109

[2] 李戰(zhàn)明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計[J]. 電子測量技術(shù)，2010，33（6）：118-122

[3] HILLAND J，CULLER D. Mica： A wireless platform for deeply embedded networks[J]. IEEE Micro，2002，22（6）：12-24

[4] 陳安都，劉少強. 振動信號在線檢測的超低功耗無線傳感器節(jié)點設計[J]. 計算機工程與科學，2008，30（4）：95-97