面向物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)※＊

何康力，陳儀香，王江濤

（1.華東師范大學(xué) 軟件學(xué)院 教育部軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心，上海200062；2.上海嵌入式系統(tǒng)研究所）

何康力（博士研究生），主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、量化驗(yàn)證、概率模型檢測(cè)；陳儀香（博士生導(dǎo)師），主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)協(xié)同規(guī)范語(yǔ)言設(shè)計(jì)、程序語(yǔ)義模型、軟件可信度量與評(píng)估；王江濤（高級(jí)工程師），主要研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算技術(shù)。

引 言

物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)物物“溝通”、實(shí)時(shí)交互，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究和實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)時(shí)性、與環(huán)境交互性上已經(jīng)不能滿足生活和工業(yè)的需求，同時(shí)爆炸式的信息傳遞到后端服務(wù)器中處理已經(jīng)帶來(lái)了許多困擾。如何減少數(shù)據(jù)傳輸量、降低能量消耗、采用合理的數(shù)據(jù)融合算法是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 需求分析

1.1 模型場(chǎng)景描述及分析

以農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測(cè)作為案例背景，例如大棚作物養(yǎng)殖，需求主要分為兩個(gè)部分：①用戶可以在PC 端或者移動(dòng)端等不同網(wǎng)絡(luò)方式下得到傳感器傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；②前端節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同測(cè)量值的變化判斷農(nóng)作物是否處于正常環(huán)境，并通過(guò)控制制動(dòng)裝置調(diào)節(jié)環(huán)境或預(yù)警。由此分析可得，智能傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要由兩部分組成：數(shù)據(jù)輸入端和具有計(jì)算功能的智能傳感器節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)“智能節(jié)點(diǎn)”）。

數(shù)據(jù)輸入端由WSN 中傳感器節(jié)點(diǎn)組成，智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收來(lái)自ZigBee局域網(wǎng)的不同種傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、就近計(jì)算，根據(jù)具體應(yīng)用需求得到結(jié)果，發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)外部裝置制動(dòng)控制的功能；通過(guò)將趙偉等［7］提出的Pipe協(xié)議移植到智能節(jié)點(diǎn)中，智能節(jié)點(diǎn)可通過(guò)Internet與監(jiān)控平臺(tái)建立安全、可靠、實(shí)時(shí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，并對(duì)外提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)連接與共享。

1.2 智能傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)體系架構(gòu)

智能傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要分為感知模塊、WSN 協(xié)議模塊、控制計(jì)算模塊、WiFi模塊。其中感知模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；WSN協(xié)議模塊采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信；控制計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)的就近計(jì)算、制動(dòng)控制及網(wǎng)絡(luò)通信；WiFi模塊實(shí)現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)，傳輸并接收來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。

圖1為智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，其中虛線部分為智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與外界通信、交互。管道傳輸模塊為監(jiān)控平臺(tái)對(duì)外提供服務(wù)接口，將服務(wù)端（智能節(jié)點(diǎn)）發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)Pipe協(xié)議對(duì)外通信。制動(dòng)模塊由智能節(jié)點(diǎn)發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

1.3 業(yè)務(wù)描述——UML建模

1.3.1 用例圖

系統(tǒng)主要分為感知器子系統(tǒng)（包括變頻傳感器節(jié)點(diǎn)）和智能節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)（包括智能節(jié)點(diǎn)）。用例的參與者既包括系統(tǒng)的使用者——系統(tǒng)管理員，也包括相關(guān)的硬件設(shè)備——傳感器、ZigBee模塊、WiFi模塊、MCU、輸氧裝置等。每個(gè)子系統(tǒng)的用例即為各部分主要的功能。

1.3.2 活動(dòng)圖

由于活動(dòng)圖描述的是業(yè)務(wù)流程，其涉及到智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)部以及對(duì)外的通信和交互，所以加入監(jiān)控平臺(tái)部分。參與活動(dòng)的類(lèi)包括：變頻傳感器節(jié)點(diǎn)、智能節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程有：智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，監(jiān)控平臺(tái)接通電源，智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送服務(wù)注冊(cè)請(qǐng)求，監(jiān)控平臺(tái)返回服務(wù)注冊(cè)響應(yīng)，傳感器采集數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，智能節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，以及向監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送發(fā)布數(shù)據(jù)。系統(tǒng)活動(dòng)圖略——編者注。

2 軟硬件劃分

軟硬件劃分至今沒(méi)有一個(gè)明確的定義，加上其劃分算法的求解本身就是一個(gè)NP完全問(wèn)題［10］，所以不存在一種最好的劃分方法，只有針對(duì)具體應(yīng)用系統(tǒng)，采用一種相對(duì)最適合的方法。

本文中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，以功能為驅(qū)動(dòng)，各個(gè)功能采用軟件還是硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)明確，所以采用按照功能模塊的方式對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行劃分，并滿足成本、性能的約束，分別得到系統(tǒng)不同功能中的軟件部分和硬件部分，如圖2所示。

3 變頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用陳儀香的發(fā)明專(zhuān)利［9］，提取出“可改變采樣頻率傳感器”的控制算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)變頻傳感器節(jié)點(diǎn)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

變頻傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件組成：傳感 器、MCU、開(kāi) 發(fā) 板、ZigBee 模塊、電源?？紤]到軟硬件協(xié)同的性能約束條件，所以盡可能選擇低功耗、價(jià)格便宜、滿足功能需求的硬件設(shè)備，在硬件器材方面選擇8 位處理器、低功耗的開(kāi)發(fā)板。

硬件參數(shù)略——編者注。硬件部分的主要工作是傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)STM8S－Discovery開(kāi)發(fā)板接收串口和信號(hào)轉(zhuǎn)換的外圍設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，然后處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由開(kāi)發(fā)板串口的外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee模塊自動(dòng)生成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

圖2 軟硬件劃分圖

軟件開(kāi)發(fā)工具選用STVD（ST 官方集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）、COSMIC（C語(yǔ)言編譯器）、ST－Link（仿真調(diào)試器）。

圖3 硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

變頻控制算法介紹如下：根據(jù)發(fā)明專(zhuān)利“一種可改變采樣頻率的傳感器設(shè)備及其控制方法”［9］，得到變頻傳感器節(jié)點(diǎn)的控制算法。預(yù)先設(shè)定好監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行求差比較計(jì)算誤差范圍，根據(jù)正常、警戒、報(bào)警等誤差級(jí)別調(diào)整采樣頻率。

以空氣溫度傳感器節(jié)點(diǎn)為例：一般大棚中對(duì)農(nóng)作物適宜的溫度為25 ℃左右，所以設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為25（不同應(yīng)用，根據(jù)不同要求設(shè)定不同標(biāo)準(zhǔn)值）。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值的差（取絕對(duì)值），計(jì)算誤差范圍，正常范圍為［0，3］；警戒范圍為（3，10］；報(bào)警范圍為（10，∞）；設(shè)定初始采樣頻率為1／15（次／秒）。每次采集數(shù)據(jù)，如果誤差屬于正常范圍，則不改變采樣頻率；如果誤差屬于警戒范圍，則產(chǎn)生一次警戒記錄，并將采樣頻率調(diào)整為初始采樣頻率的3倍，即1／5；如果誤差屬于報(bào)警范圍，則產(chǎn)生一次報(bào)警記錄，并將采樣頻率調(diào)整為初始采樣頻率的5倍，當(dāng)連續(xù)非正常記錄超過(guò)5次（根據(jù)具體應(yīng)用可改），改變節(jié)點(diǎn)狀態(tài)（綠、黃、紅、分表表示正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)），并將采樣頻率調(diào)整為初始采樣頻率的15倍。溫度－變頻算法控制流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 溫度—變頻算法控制流程圖

其他類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)控制算法流程圖與圖4相類(lèi)似，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

3.3 子系統(tǒng)集成

采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，軟件依次實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件中的每個(gè)功能模塊，并保證前一個(gè)測(cè)試通過(guò)，再進(jìn)行下一個(gè)功能的迭代開(kāi)發(fā)。

變頻傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖略——編者注。

4 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件參數(shù)略——編者注。

硬件部分的主要工作是：ZigBee模塊接收WSN 傳來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)與其相連接的STM32L－Discovery開(kāi)發(fā)板接收串口的外圍設(shè)備，接收變頻傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，處理器處理數(shù)據(jù)。一方面，通過(guò)開(kāi)發(fā)板通用輸出設(shè)備發(fā)送電壓高低指令控制外部設(shè)備，另一方面由開(kāi)發(fā)板發(fā)送串口的外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi模塊自動(dòng)生成TCP／IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)Engine程序。同時(shí)，打開(kāi)串口輸入中斷，監(jiān)聽(tīng)是否有數(shù)據(jù)輸入智能節(jié)點(diǎn)，若有則將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，接收完整數(shù)據(jù)包后交由處理器進(jìn)行處理數(shù)據(jù)。硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5。

圖5 硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)工具選用ARM 公司的KeilμVsion4.70.0版本。開(kāi)發(fā)用到的函數(shù)庫(kù)為ST 公司提供的固件庫(kù)V1.0.0版本。智能節(jié)點(diǎn)的計(jì)算包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行就近計(jì)算和嵌入Pipe協(xié)議并提供服務(wù)兩個(gè)部分。

4.2.1 就近計(jì)算部分

以綜合“診斷”為例，實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理。

應(yīng)用要求：大棚作物，滿足室內(nèi)溫度為15～25 ℃，光照強(qiáng)度為0.1～1.5萬(wàn)lx，土壤濕度為20%～35%，即為“正常狀態(tài)”，其他情況為“非正常狀態(tài)”。通過(guò)計(jì)算得出綜合“診斷”，并將“診斷”結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控平臺(tái)。

代碼實(shí)現(xiàn)：從SensorDatas［］［］中取出最新室內(nèi)溫度值T、最新光照強(qiáng)度L、最新土壤濕度H，分別計(jì)算是否為T(mén)∈［15，25］，L∈［0.1，1.5］，H∈［20，35］；定義變量result，如果以上公式都滿足，result為“正?！保绻幸粋€(gè)不滿足，result為“非正?！?，再通過(guò)硬件外設(shè)將result值發(fā)送給監(jiān)控平臺(tái)。綜合“診斷”邏輯圖見(jiàn)圖6。

4.2.2 Pipe協(xié)議嵌入部分

充分利用趙偉等［7］提出的Pipe協(xié)議安全、實(shí)時(shí)、跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，建立智能節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控平臺(tái)之間安全、實(shí)時(shí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

將Pipe協(xié)議移植入智能節(jié)點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi模塊向監(jiān)控平臺(tái)Engine程序的“IP＋端口號(hào)”發(fā)送服務(wù)注冊(cè)請(qǐng)求，接收Engine端返回的注冊(cè)請(qǐng)求相應(yīng)，分析數(shù)據(jù)包，得到申請(qǐng)注冊(cè)結(jié)果。如果成功，開(kāi)始發(fā)送服務(wù)數(shù)據(jù)；如果失敗或者接收超時(shí)，則重新發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求。

智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)Pipe協(xié)議的流程圖略——編者注。

圖6 綜合“診斷”邏輯圖

4.3 子系統(tǒng)集成

采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，軟件的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)根據(jù)硬件的能力和需求進(jìn)行調(diào)整。完成每個(gè)功能模塊時(shí)，保證在已有硬件資源下軟件能協(xié)同硬件工作，再進(jìn)行下一個(gè)功能的迭代，以此達(dá)到低重返率的目的，減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。至此，完成了智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

5 系統(tǒng)集成

5.1 系統(tǒng)集成說(shuō)明與集成結(jié)果

系統(tǒng)集成就是將變頻傳感器節(jié)點(diǎn)、智能節(jié)點(diǎn)集成為智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互，同時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)集成關(guān)系圖略——編者注。

5.2 系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)

5.2.1 數(shù)據(jù)集成

3部分的數(shù)據(jù)要有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，才能互相識(shí)別和通信。智能節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控平臺(tái)之間的通信數(shù)據(jù)由Pipe協(xié)議定義，主要采用xml格式，如：注冊(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)以＜GateProtocol＞為外層標(biāo)簽，服務(wù)數(shù)據(jù)以＜DataFrame＞為外層標(biāo)簽等。

5.2.2 通信集成

內(nèi)網(wǎng)——ZigBee局域網(wǎng)介紹如下：變頻傳感器節(jié)點(diǎn)與智能節(jié)點(diǎn)之間，分別使用ZigBee模塊，自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包，建立ZigBee局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)相互通信。

外網(wǎng)——Internet分布介紹略——編者注。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)不僅適用于對(duì)農(nóng)業(yè)、水體、大氣等自然環(huán)境的監(jiān)控，而且適用于對(duì)特定人群的特定屬性進(jìn)行監(jiān)控，如在某一區(qū)域內(nèi)，老人身體健康指標(biāo)的監(jiān)測(cè)及預(yù)警等。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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