基于電子技術的主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設計

鄭子超，李永紅，岳鳳英，李玲

（中北大學，山西太原 030051）

由于布線困難、結構復雜等原因，傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)往往不能滿足各種長短期環(huán)境監(jiān)測應用的需要[1]。作為一種新的信息采集和處理技術，無線傳感器網(wǎng)絡越來越多地應用于各個領域[2]。但人員和大型設備常常難以到達危險且緊急情況的地點[3]，且無線傳感器網(wǎng)絡中的傳統(tǒng)節(jié)點不能進行現(xiàn)場組網(wǎng)，使得環(huán)境信息采集任務難以完成。使用ZigBee 主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，既能保證數(shù)據(jù)的完整性，又能接入多個端口，可廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)；使用基于TrueTime的主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink 聯(lián)合仿真工具，可以研究網(wǎng)絡傳輸延遲對控制性能的影響，也可以用動態(tài)調度方法進行實驗研究。然而，這兩種方法都存在問題。無線傳感器網(wǎng)絡是動態(tài)的，節(jié)點是靜態(tài)的，傳感器節(jié)點部署好之后，它們就靜止了。由于數(shù)據(jù)匯聚，基站常常被固定下來。傳感器節(jié)點與基站之間缺乏一定的靈活性，因此無法根據(jù)監(jiān)測對象的變化動態(tài)地調整節(jié)點的區(qū)域分布，也就無法保證系統(tǒng)的控制精度。為此，提出了基于電子技術的主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，使用電子技術利用移動節(jié)點可控制主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、傳輸層和應用層，傳輸層為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡控制器。感知層主要由傳感器網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集設備組成，具有探測和短程通信功能[4-6]。傳感網(wǎng)絡由各種數(shù)據(jù)采集裝置、傳感器設備節(jié)點等組成，各種傳感器模塊構成數(shù)據(jù)采集裝置；傳輸層實現(xiàn)了遠程通信和網(wǎng)絡調節(jié)[7-9]。應用層采集的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)的基礎上實現(xiàn)了遠程傳輸，并且實現(xiàn)了與以太網(wǎng)的結合[10-12]。該層根據(jù)處理過的數(shù)據(jù)和信息為用戶提供應用和服務，對各種通信設備的信息進行處理和控制[13]。

系統(tǒng)硬件結構設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

1.1 協(xié)調器模塊

協(xié)調器模塊包含的部件有CC2530 芯片、I/O 連接器以及電源裝置。系統(tǒng)終端將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調器中，協(xié)調器對其進行處理，并通過串口向主機發(fā)送處理數(shù)據(jù)[14]。該芯片的運行電壓為2～3.5 V，輸出功率的絕對值為4.5 dBm，具有8個ADC信道，每個信道的分辨率為13位。片中RAM 為6 kB，包括了系統(tǒng)內部模塊的通信棧[15]。FLASH 芯片大小為256 kB。其中有多個用于傳輸?shù)亩丝?，支持并行傳輸工作。調整器安裝了復位裝置，用于防止芯片的電壓過高導致其損壞的現(xiàn)象。

1.2 通信協(xié)議棧

所設計的系統(tǒng)需要建立與物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議堆疊，以此實現(xiàn)控制信號的傳輸，具體結構如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議棧

由圖2 可知，芯片接收各傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對終端模塊的檢測。依據(jù)數(shù)據(jù)的分析結果，輸出指令。構建通信協(xié)議棧，連接CC2530 芯片與電平轉換芯片RS232，并將電壓控制為工作額定電壓[16]。協(xié)調器打包處理過的數(shù)據(jù)與I/O 接口連接，以1～6 Mb/s的波特率實現(xiàn)PC 終端與協(xié)調器模塊的通信。USB 串口通信參數(shù)設置為8 位，以保證系統(tǒng)的通信功能正常。

1.3 外圍擴展模塊

在外圍擴展模塊電路中，網(wǎng)絡模塊采用DM9000AEP芯片，傳輸協(xié)議為802.3。選擇LC5740的5G 模塊來實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡功能，完成與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。計算機輔助設計模塊和處理器之間是SPI 接口。使用MCP2515 芯片和SN65HVD230D 分別實現(xiàn)了從SPI格式到CAN 總線格式的數(shù)據(jù)轉換。RS485 與處理器的接口是UART 接口，使用SN65HVD11D 芯片實現(xiàn)UART 接口到RS485 總線級的轉換。除ARM 核心處理器和擴展模塊外，還應配置外圍擴展模塊，保證系統(tǒng)能夠正常工作。外圍擴展模塊如圖3所示。

圖3 外圍擴展模塊

1.4 無線移動節(jié)點結構設置

無線移動節(jié)點結構如圖4 所示。

由圖4 可知，無線移動節(jié)點結構由電源模塊、傳感器單元、通信處理單元和執(zhí)行機構單元組成。其中傳感器單元包括溫度、光照和加速度傳感器元件，用來收集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)。通信處理單元的數(shù)據(jù)通過接口傳送，由主控單片機處理存儲。執(zhí)行機構單元的主單片機根據(jù)基站發(fā)送的指令將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，也可請求協(xié)單片機完成相應的任務。該結構清晰，層次明確，維護方便，可適應各種環(huán)境監(jiān)測場合。

圖4 無線移動節(jié)點結構

1.5 控制環(huán)結構

主動式傳感器與控制器、控制器與執(zhí)行機構之間采用無線連接的方式，構成了物聯(lián)網(wǎng)控制環(huán)結構，如圖5 所示。

圖5 控制環(huán)結構

由圖5 可知，控制節(jié)點和執(zhí)行/傳感節(jié)點分別是電子技術內核模塊和電子技術電池模塊。定期通過無線網(wǎng)絡將采集過程中傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器節(jié)點?？刂乒?jié)點可以是事件驅動的，也可以是時間驅動的，計算系統(tǒng)的反應時間，并將結果返回給事件驅動或時間驅動的執(zhí)行器節(jié)點，控制信號傳輸速度。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的軟件是以硬件為基礎，實現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉換以及數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)控中心的連接。借助電子技術中的模擬技術，確定模糊規(guī)則，以實現(xiàn)所有程序的統(tǒng)一管理。

2.1 基于模擬電子技術的模糊規(guī)則設計

依據(jù)主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)規(guī)則，使用電子技術中的模擬電子技術，輸出模糊規(guī)則，并將規(guī)則數(shù)據(jù)庫的輸入數(shù)據(jù)模糊化，以此產(chǎn)生模糊規(guī)則矩陣：

式（1）中，wq×n表示模糊規(guī)則實施前矩陣；wqn表示規(guī)則模糊數(shù)，q為模糊規(guī)則的數(shù)量，規(guī)則庫中的系數(shù)矩陣計算公式如下所示：

式（2）中，Kqn表示矩陣生成的規(guī)則系數(shù)。若模糊化輸入向量，則會產(chǎn)生判定向量e，根據(jù)式（3）計算向量的隸屬度，以此決定是否對其進行控制。

若需要對其進行控制，則依據(jù)隸屬度大小，通過向對應的傳感器傳輸工作指令，對其進行控制。

2.2 控制流程設計

軟件部分由主功能部分開始，完成變量的定義和初始化，然后各子模塊完成相應的功能，使主功能進入無限循環(huán)，控制流程如圖6 所示。

圖6 控制流程設計

由圖6 可知，首先打開和初始化各個通信裝置。在初始化之后，等待服務器發(fā)送一個命令。當命令出現(xiàn)時，讀取命令代碼和命令長度，根據(jù)命令的長度來接收命令內容，然后再判斷命令處理線程是否需要處理命令，直到處理成功。

3 實 驗

3.1 實驗網(wǎng)絡拓撲結構設計

將實驗網(wǎng)絡拓撲結構分為3 個層次，分別是感知層、傳送層和應用層。感知層具備檢測功能，主要負責采集數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)通常在傳送層工作，具備遠程通信及網(wǎng)絡調節(jié)功能。應用層需根據(jù)處理的數(shù)據(jù)為用戶提供服務，處理多種通信設備信息。

3.2 實驗步驟

使用lntelCorei7-9700K型號的CPU，其具有3.6 GHz內存，能夠高效處理指令，用500 GB 硬盤存儲實驗。利用64 GB 硬盤，暫存實驗過程數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)。在NVIDIA RTX 2060 顯卡中，通過驅動顯示界面，使用Windows8.1 操作系統(tǒng)，能夠輔助系統(tǒng)實現(xiàn)相關操作。

3.3 實驗結果與分析

分別使用基于ZigBee的主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)、基于TrueTime的主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)和基于電子技術控制系統(tǒng)，對比分析系統(tǒng)的反應時間，如圖7 所示。

圖7 3種系統(tǒng)反應時間對比分析

使用基于ZigBee 主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)最長反應時間為2.7 s，使用基于TrueTime 主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)最長反應時間為2.4 s，使用基于電子技術控制系統(tǒng)最長反應時間為0.6 s，由此可知，使用基于電子技術控制系統(tǒng)反應時間較短，能夠快速作出反應。

使用3 種系統(tǒng)，對比分析電壓控制效果，如圖8所示。

圖8 3種系統(tǒng)電壓控制效果對比分析

由圖8 可知，使用基于ZigBee 主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)超調量大，輸出電壓在0.75～1.50 V 范圍內變化；使用基于TrueTime 主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)反應時間長，輸出電壓在0.75～1.25 V 范圍內變化；使用基于電子技術控制系統(tǒng)，超調量小，輸出電壓在0.95～1.05 V 范圍內變化，與實際的1.0 V 電壓相差最小。由此可知，使用基于電子技術控制系統(tǒng)電壓控制結果較為精準。

4 結束語

設計的基于電子技術的主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了主動式傳感器物聯(lián)網(wǎng)不同數(shù)據(jù)間的交互與傳輸，通過實驗證實了該系統(tǒng)經(jīng)過模糊處理后，控制效果更精準，同時也證實了該系統(tǒng)具有良好的性能。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，利用該系統(tǒng)高效獲取物聯(lián)網(wǎng)拓撲結構中的數(shù)據(jù)，能夠為數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速傳輸?shù)於ɑA。