基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無(wú)線傳感裝置的設(shè)計(jì)

梁家燁　伍馮潔　黃浩騰　馮兆熙　黎梓毅　陳志德　張雨楠

摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中對(duì)傳感裝置智能性、靈活性、多樣性和標(biāo)準(zhǔn)化的高要求，文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無(wú)線傳感裝置，以實(shí)現(xiàn)智能硬件接口設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通信技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工程的任意裁剪與重構(gòu)，保證數(shù)據(jù)流通的規(guī)范與安全，便于安裝與拆卸，降低了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)門檻和使用難度，方便二次開發(fā)，能有效促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；堆疊式；可重構(gòu)；自適應(yīng)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展完善，已經(jīng)成為人們工作及生活中必不可少的技術(shù)之一。一些智能物聯(lián)網(wǎng)裝置已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、物流、安防、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。但現(xiàn)存應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)裝置大都針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)所開發(fā)設(shè)計(jì)，還有一些關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題尚未突破，從而限制了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。其中，亟待解決的共性問(wèn)題如下[1]。

（1）應(yīng)變力較差：目前的物聯(lián)網(wǎng)裝置大多針對(duì)某個(gè)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制開發(fā)與部署，缺乏共性解決方案，而且大多數(shù)裝置采用有線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，很大程度上影響了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的兼容性與適應(yīng)性。

（2）信息融合度不高：傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，由于傳感技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性，不同傳感器收集到的數(shù)據(jù)整合和預(yù)處理是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中的一個(gè)難題。

（3）標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：目前存在的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)大多是行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)或傳輸層標(biāo)準(zhǔn)，而關(guān)于應(yīng)用層與感知層的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)卻還未建立，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)裝置或系統(tǒng)間的信息交流比較困難，因此要把現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行融合，建立一個(gè)權(quán)威的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)是一大挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上不足，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無(wú)線傳感裝置，介紹了堆疊式傳感器模塊與基板的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)還對(duì)傳感器模塊間、傳感器模塊與基板間的數(shù)據(jù)鏈路接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定了傳感器節(jié)點(diǎn)間互相交換信息的自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，從而為各領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了共性解決方案。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的堆疊式可重構(gòu)無(wú)線傳感裝置主要由傳感器模塊和基板模塊組成，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。該裝置根據(jù)不同傳感量的采集需求，將相應(yīng)傳感器模塊通過(guò)堆疊的方式安裝在基板模塊上。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集傳感量數(shù)據(jù)，并通過(guò)I2C總線通信方式將采集到的傳感量數(shù)據(jù)傳輸至基板模塊；基板模塊按照自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，對(duì)接收到的各種傳感量數(shù)據(jù)打包，同時(shí)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，進(jìn)而傳輸至上位機(jī)控制中心；多個(gè)傳感器模塊與一個(gè)基板模塊共同組合成一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加入龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[2]。本設(shè)計(jì)通過(guò)在基板模塊上堆疊不同數(shù)量、種類的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種場(chǎng)合與場(chǎng)所內(nèi)不同監(jiān)控對(duì)象的智能監(jiān)控，同時(shí)上位機(jī)控制中心可根據(jù)自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議[3]，通過(guò)網(wǎng)關(guān)模塊向基板模塊發(fā)送操作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)基板模塊的控制。

在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要著重考慮以下問(wèn)題：

（1）堆疊式可重構(gòu)：多個(gè)傳感器模塊可按層次方便、牢固地堆疊安裝在基板上，增加或減少某個(gè)傳感器模塊應(yīng)不受其他傳感器模塊或基板的影響，同時(shí)安裝在基板上的傳感器模塊可根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用需要，隨時(shí)調(diào)整安裝順序。

（2）自適應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路接口：所有的傳感器模塊均應(yīng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信方式，即統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路接口，基板能按照傳感器模塊規(guī)定的數(shù)據(jù)通信格式快速、準(zhǔn)確地收集、解析數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整合成數(shù)據(jù)幀，再發(fā)給上位機(jī)。

（3）模塊與基板尺寸統(tǒng)一：在傳感器模塊與基板的實(shí)物設(shè)計(jì)方面，所有的傳感器模塊均應(yīng)采用統(tǒng)一的尺寸，根據(jù)傳感器模塊的大小及ZigBee通信模塊的大小合理設(shè)計(jì)基板的尺寸及元件分布。

2 堆疊式可重構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)市面上現(xiàn)有的傳感器特性及模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)傳感器模塊通用板，傳感器模塊如圖2所示。其中，板的尺寸為30 mm×30 mm，板上主要包括STM32單片機(jī)以及其外圍電路[4]、傳感器及其外圍電路以及必須的數(shù)據(jù)鏈路接口，各器件合理地分布在板上。圖2中a為傳感器模塊的4個(gè)數(shù)據(jù)連接接口，每個(gè)接口由2針插針組成，起到固定模塊與數(shù)據(jù)通信的作用。這4個(gè)接口包括I2C總線通信接口，VCC，GND等其他必須的數(shù)據(jù)鏈接接口，傳感器模塊之間的堆疊、傳感器模塊與基板的安裝就通過(guò)這4個(gè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這4個(gè)接口，可將一個(gè)或多個(gè)傳感器模塊一層層地安裝在基板上。

根據(jù)傳感器模塊的尺寸、ZigBee模塊大小及基板中STM32單片機(jī)單元的硬件設(shè)計(jì)電路，設(shè)計(jì)的基于ZigBee的基板如圖3所示。其中，板的尺寸為40 mm×60 mm，板上主要包括ZigBee無(wú)線通信模塊[5]、單片機(jī)控制單元、傳感器模塊安裝插座及基板必須的接口連接件。其中，圖3中的b為4個(gè)排座組成的傳感器模塊安裝區(qū)域，c為ZigBee無(wú)線通信模塊。第一層傳感器模塊通過(guò)圖中b的4個(gè)插座安裝在基板上，安裝完成示意圖如圖4所示，而第二層模塊則通過(guò)傳感器模塊上的4個(gè)插座（如圖4中d所示）堆疊安裝在基板上，依此類推，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)傳感器模塊組合安裝在同一個(gè)基板上的目標(biāo)。

在本設(shè)計(jì)中，傳感器模塊間、傳感器模塊與基板間的連接均采用堆疊式可重構(gòu)接口。此接口不僅起到電源和數(shù)據(jù)鏈路的作用，實(shí)現(xiàn)傳感器模塊在三維空間上的堆疊，而且能夠使基板與各傳感器模塊以并聯(lián)的方式掛載在電源線及I2C通信總線上，實(shí)現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的高速采集及可靠傳輸。

為保證堆疊后整個(gè)裝置的物理穩(wěn)定性，需要在各傳感器模塊和基板上均設(shè)置堆疊式接口作為支撐點(diǎn)，即將所需電源接口、I2C通信接口以及其他預(yù)留接口共8個(gè)接口按照兩兩一組的方式，將四組接口組成一個(gè)四角支撐的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而使上層模塊能夠穩(wěn)固地堆疊在下層模塊上。其中該數(shù)據(jù)鏈路接口的電路原理如圖5所示。P1，P2作為地線，+3.3 V或+5 V作為接口，可滿足大部分微處理器和傳感元件的電源要求；P3作為I2C總線通信所需的SDA，SCL接口，兩線均接有2.2kΩ上拉電阻；P4不作為任何接口，僅用于支撐。

3 自適應(yīng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)主要由基板及安裝在基板上的若干個(gè)傳感器模塊組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或中繼，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信[6]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在眾多節(jié)點(diǎn)，為了提高節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)間的通信效率與可靠性，對(duì)它們的通信方式制定了統(tǒng)一協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定通信雙方采用數(shù)據(jù)包的通信格式：基板將收到的傳感器信息（主要包含傳感器類別、傳感器類型、傳感器名稱、傳感器模塊地址、傳感器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)內(nèi)容）打包成數(shù)據(jù)包，然后配以數(shù)據(jù)頭、校驗(yàn)碼與停止位等特殊命令字，再把該數(shù)據(jù)包當(dāng)成一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行信息交換，逐幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可實(shí)現(xiàn)兩者間的持續(xù)通信。

基板與傳感器模塊具體的通信協(xié)議定義如下：

數(shù)據(jù)頭（2 B）+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（1 B）+命令標(biāo)識(shí)符（1 B）+節(jié)點(diǎn)地址（2 B）+傳感器類別1（1 B）+傳感器類型1（1 B）+ 傳感器名稱1（1 B）+傳感器模塊地址1（1 B） + 傳感器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度1（1 B）+數(shù)據(jù)內(nèi)容1（m B）+傳感器類別2（1 B） + 傳感器類型2（1 B）+傳感器名稱2（1 B） + 傳感器模塊地址2（1B） + 傳感器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2（1 B）+數(shù)據(jù)內(nèi)容2（m B）+…+傳感器類別n（1 B）+傳感器類型n（1 B）+傳感器名稱n（1 B）+傳感器模塊地址n（1 B）+傳感器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度n（1 B）+數(shù)據(jù)內(nèi)容n（m B）+校驗(yàn)碼（1 B）+停止位（1 B）

4 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)不同傳感量的采集需求，在各基板上堆疊多種傳感器模塊，設(shè)置好基板與傳感器模塊的硬件地址，然后將無(wú)線通信模塊安裝在基板上并配置好通信模式，完成傳感節(jié)點(diǎn)的裝配。將各傳感節(jié)點(diǎn)安裝在不同的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，接通電源，搭建好無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)后，各傳感節(jié)點(diǎn)開始工作。

以其中一個(gè)堆疊有水銀開關(guān)、煙霧、DHT11溫濕度三種傳感器模塊的傳感節(jié)點(diǎn)為例，獲取某時(shí)刻這三種傳感器數(shù)據(jù)的采集情況，基板將這三種傳感器數(shù)據(jù)整合為數(shù)據(jù)幀的結(jié)果，見表1所列。

上位機(jī)接收到基板整合的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀內(nèi)容，可檢測(cè)出此時(shí)相應(yīng)監(jiān)控目標(biāo)的狀態(tài)：該傳感節(jié)點(diǎn)為1號(hào)節(jié)點(diǎn)，工作模式為連續(xù)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送；堆疊的第一層傳感器為水銀開關(guān)傳感器模塊，水銀探頭處于閉合狀態(tài)；第二層為煙霧傳感器，傳感器附近的空氣中含有輕微煙霧；第三層為DHT11溫濕度傳感器，傳感器附近的溫度為26℃，相對(duì)空氣濕度為54%。

在不同時(shí)間段、不同氣候及地理環(huán)境下，我們對(duì)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，得出的測(cè)試結(jié)果見表2所列。

由表2可知，本裝置能快速識(shí)別接入物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的傳感器，并能根據(jù)監(jiān)控要求及時(shí)作出正確響應(yīng)，具有易操作、功耗低、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)及兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足多種監(jiān)控場(chǎng)所的智能監(jiān)控需求[7]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無(wú)線傳感裝置，解決了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)裝置兼容性不強(qiáng)、信息融合度不高、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，完成了堆疊式可重構(gòu)硬件的設(shè)計(jì)、自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議的設(shè)計(jì)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，模擬量信號(hào)、數(shù)字量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)的采集與處理以及執(zhí)行反饋動(dòng)作等功能，從而實(shí)現(xiàn)傳感裝置的智能性、靈活性、多樣性與標(biāo)準(zhǔn)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇美文. 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的理論分析與對(duì)策研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[2] 伍馮潔，黃文愷，吳鴻碧. ZigBee無(wú)線技術(shù)在輸液車間自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（4）：49-52.

[3] 張凱林，高強(qiáng)，史書臣，等.一種多協(xié)議自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2015，30（2）：33-37.

[4] ST展示先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（8）：37.

[5] 姜輝.Avnet與德州儀器（TI）推介無(wú)線連接物聯(lián)網(wǎng)解決方案[J].世界電子元器件，2015（7）：36-38.

[6] 李銳君，周偉，侯維巖.面向先進(jìn)制造環(huán)境的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)，2017（3）：4-7.

[7] 楊小國(guó)，廖麗.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)策略[J].九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（2）：90-92.

[8] 張樂(lè)，郭裕順.基于自適應(yīng)加權(quán)的模擬集成電路多目標(biāo)優(yōu)化方法研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（10）： 74-75，77.

作者簡(jiǎn)介：梁家燁（1995-），男，本科生。從事電氣工程及自動(dòng)化方面的研究及技術(shù)開發(fā)。

通信作者：伍馮潔（1979-），女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。從事光機(jī)電一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

黃浩騰（1996-），男，本科生。從事信息處理與智能控制方面的研究及技術(shù)開發(fā)。

馮兆熙（1997-），男，本科生。從事電氣工程及電子信息技術(shù)方面的研究及技術(shù)開發(fā)。

黎梓毅（1997-），男，本科生。從事圖像處理與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方面的研究及技術(shù)開發(fā)。

陳志德（1996-），男，本科生。從事電子信息工程方面的研究及技術(shù)開發(fā)。

張雨楠（1997-），男，本科生。從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的研究及技術(shù)開發(fā)。