基于嵌入式系統(tǒng)的傳感器應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)

趙文明

摘要：傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種嶄新的信息獲取和處理技術(shù)，集成了傳感器、網(wǎng)絡(luò)、無線通信和嵌入式系統(tǒng)四大技術(shù)而形成。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前電子計(jì)算機(jī)的一種較普遍應(yīng)用形式，此類電子系統(tǒng)不易被用戶注意，也可稱它為埋藏式計(jì)算機(jī)。本文主要介紹在傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)組成、工作原理與嵌入式系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)，以及無線傳感器中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是一種智能部件內(nèi)裝于專用設(shè)備的高速計(jì)算機(jī)，它的主要功能是作為一個(gè)大型工程系統(tǒng)中的信息處理部件來控制專門的硬件設(shè)備。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廣泛地用于辦公自動化、消費(fèi)、通信、汽車、工業(yè)和軍事領(lǐng)域。近十年來，嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，它的運(yùn)行離不開嵌入式操作系統(tǒng)。從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位，從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片，從只有實(shí)時(shí)內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊如：文件系統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、GUI圖型系統(tǒng)等。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成及工作原理

傳感器網(wǎng)絡(luò)是未來計(jì)算環(huán)境的重要組成部分。它由多種類、大數(shù)量的傳感節(jié)點(diǎn)而構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)，連接著現(xiàn)實(shí)世界，以此來實(shí)現(xiàn)對物理世界的感知了解。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集合了信息采集、傳送、處理于一身的綜合智能的信息系統(tǒng)，它不需要專用特殊的通信路線；傳遞速度迅速；能夠傳送多種形式信號；對于任一種Web瀏覽器都適用；信息反饋形式多樣；同時(shí)又具備實(shí)時(shí)自動更新的功能，并且集合了通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與傳感器等技術(shù)，擁有十分廣闊的應(yīng)用和研究發(fā)展價(jià)值。

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由無線設(shè)備模塊、服務(wù)器模塊、客戶界面模塊這3大模塊組成，其中服務(wù)器模塊又由無線接收模塊、網(wǎng)卡硬件模塊、網(wǎng)絡(luò)軟件模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊這幾個(gè)部分構(gòu)成。于此同時(shí)，研究者又一致把服務(wù)器當(dāng)中的“無線接收模塊”和無線設(shè)備中的“無線發(fā)送模塊”合稱為“無線收發(fā)模塊”，而客戶界面模塊主要指瀏覽器。

傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器的處理加工，之后被傳遞到嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算后，又由無線發(fā)射裝置傳出。無線接收裝置能夠在同一時(shí)間加工多個(gè)傳感器傳輸過來的信號，再將這些傳來的信息利用通信適配器（如RS232）送到主控機(jī)上。

2 嵌入式系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用形式之一，通常情況下是指嵌入在電子設(shè)備中的微處理機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能就是輔助幫助它所嵌入的電子設(shè)備，使它們這一整個(gè)系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)化智能化，使其更好地為用戶提供優(yōu)化的作用。所以在此類嵌入式系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中通常都包含有操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，這就讓該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件構(gòu)成一體化。因此，嵌入式系統(tǒng)的硬件與應(yīng)用軟件的高效率協(xié)同工作，就能夠在同樣的系統(tǒng)配置上實(shí)現(xiàn)更高的應(yīng)用性能。

嵌入式系統(tǒng)是一種硬件和應(yīng)用軟件相互配合并能夠分別單獨(dú)工作的系統(tǒng)，它的主要組成部分包括嵌入式微處理器、外部硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等。根據(jù)其應(yīng)用方式的差異，可將嵌入式系統(tǒng)分為知識產(chǎn)權(quán)核（IP）級、模塊級和芯片級，它們都需要結(jié)合真實(shí)狀況，把需要的功能或模塊嵌入到各類應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品中。其中知識產(chǎn)權(quán)核IP技術(shù)代表著知識產(chǎn)權(quán)，是該系統(tǒng)內(nèi)部所要完成某項(xiàng)系統(tǒng)功能的核心，也是對擁有系統(tǒng)內(nèi)部的某些特制硬件和軟件等技術(shù)的保障。IP核不僅指數(shù)字IP，也指IP核的模擬，IP核又包括軟核、硬核等。所以，綜上所述的核可能是芯片設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的某一過程中所采用的軟核，也可能是設(shè)計(jì)者為保障技術(shù)需求而設(shè)計(jì)的專門過程中的硬核。模塊級是指該應(yīng)用系統(tǒng)是由x86處理器組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊而嵌入構(gòu)成的一種設(shè)計(jì)方式，這種方式的嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)是要縮小設(shè)備體積，增加設(shè)備使用的可靠性，將操作系統(tǒng)優(yōu)化為嵌入式操作系統(tǒng)，同時(shí)把應(yīng)用軟件固定在這樣的固態(tài)盤中。至于芯片級，是按照各種應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品的具體情況或要求，選擇相對應(yīng)的處理器芯片，共同構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，并將相對應(yīng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件以固定的形式固化在不容易丟失的存儲器芯片中去。

3 通用嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺設(shè)計(jì)

3.1傳感器節(jié)點(diǎn)功能模塊劃分

根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，將通用嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺分為以下幾個(gè)模塊：（1）核心模塊。（2）傳感器和外擴(kuò)功能接口模塊。（3）通信模塊。（4）電源模塊。

3.2 核心模塊設(shè)計(jì)

（1）微處理器。微處理器是嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)工作的核心部件，不僅控制和管理節(jié)點(diǎn)的工作，也是各種功能擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用ST公司的STM32F103微處理器。STM32F103基于針對低功耗和高性能應(yīng)用的Cortex-M3內(nèi)核，其時(shí)鐘頻率為72MHz，具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；它具有豐富的外設(shè)接口，包括多個(gè)IIC、SPI接口以及USB、UART等接口電路，方便節(jié)點(diǎn)功能的擴(kuò)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(fù)雜程度。此外STM32F103有多種低功耗模式，并能夠通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒工作，可以有效降低節(jié)點(diǎn)的功耗。

3.3傳感器和外擴(kuò)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(gè)針對模擬傳感器應(yīng)用的可編程增益放大器。目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(gè)可供選擇的增益，可在多個(gè)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(diǎn)的通用設(shè)計(jì)。

3.4節(jié)點(diǎn)應(yīng)用測試

通用嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心得到應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，傳感器節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展能力強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)搭建方便。在應(yīng)用中針對節(jié)點(diǎn)的功耗做了測試，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)功耗會較大，主要是無線收發(fā)模塊的功耗相對較高導(dǎo)致。由于節(jié)點(diǎn)采用低功耗模式和工作模式交替運(yùn)行，每工作0.5分鐘，節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入低功耗模式，待機(jī)時(shí)間設(shè)置為10分鐘，所以節(jié)點(diǎn)的平均功耗得到有效降低，實(shí)現(xiàn)了低功耗的目的。

4 結(jié)束語

目前，我國針對嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，主要還是體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、信息家電、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、國防工業(yè)、生物微電子技術(shù)等領(lǐng)域。而對于嵌入式系統(tǒng)在線可編程技術(shù)和數(shù)字信號處理器的結(jié)合的研究還較少，在未來，這將是該系統(tǒng)研究與應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展和研究方向。這有待于我們的研究者繼續(xù)深入探討和發(fā)現(xiàn)。

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（作者單位：天津光電高斯通信工程技術(shù)股份有限公司）