面向物聯網的智能傳感器節點系統設計※＊

何康力，陳儀香，王江濤

（1.華東師范大學 軟件學院 教育部軟硬件協同設計技術與應用工程研究中心，上海200062；2.上海嵌入式系統研究所）

何康力（博士研究生），主要研究方向為物聯網、量化驗證、概率模型檢測；陳儀香（博士生導師），主要研究方向為物聯網、實時協同規范語言設計、程序語義模型、軟件可信度量與評估；王江濤（高級工程師），主要研究方向為嵌入式計算技術。

引 言

物聯網可以實現物物“溝通”、實時交互，對物聯網的研究和實現已經成為當今的熱點。傳統的互聯網在實時性、與環境交互性上已經不能滿足生活和工業的需求，同時爆炸式的信息傳遞到后端服務器中處理已經帶來了許多困擾。如何減少數據傳輸量、降低能量消耗、采用合理的數據融合算法是無線傳感器網絡（WSN）領域的重點研究內容。

1 需求分析

1.1 模型場景描述及分析

以農作物環境監測作為案例背景，例如大棚作物養殖，需求主要分為兩個部分：①用戶可以在PC 端或者移動端等不同網絡方式下得到傳感器傳來的實時數據；②前端節點根據不同測量值的變化判斷農作物是否處于正常環境，并通過控制制動裝置調節環境或預警。由此分析可得，智能傳感器節點系統主要由兩部分組成：數據輸入端和具有計算功能的智能傳感器節點（簡稱“智能節點”）。

數據輸入端由WSN 中傳感器節點組成，智能節點通過接收來自ZigBee局域網的不同種傳感器數據，對異構數據進行處理、就近計算，根據具體應用需求得到結果，發送至監控平臺，并實現對外部裝置制動控制的功能；通過將趙偉等［7］提出的Pipe協議移植到智能節點中，智能節點可通過Internet與監控平臺建立安全、可靠、實時的點對點通信，并對外提供服務，實現數據的跨平臺連接與共享。

1.2 智能傳感器節點系統體系架構

智能傳感器節點系統主要分為感知模塊、WSN 協議模塊、控制計算模塊、WiFi模塊。其中感知模塊負責采集數據；WSN協議模塊采用ZigBee協議進行通信；控制計算模塊實現智能節點的就近計算、制動控制及網絡通信；WiFi模塊實現接入互聯網，傳輸并接收來自互聯網的數據。

圖1為智能節點系統的體系架構，其中虛線部分為智能節點系統與外界通信、交互。管道傳輸模塊為監控平臺對外提供服務接口，將服務端（智能節點）發送來的數據通過Pipe協議對外通信。制動模塊由智能節點發出的控制信號驅動。

1.3 業務描述——UML建模

1.3.1 用例圖

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

1.3.2 活動圖

由于活動圖描述的是業務流程，其涉及到智能節點系統內部以及對外的通信和交互，所以加入監控平臺部分。參與活動的類包括：變頻傳感器節點、智能節點、監控平臺。整個系統主要實現的業務流程有：智能節點系統，監控平臺接通電源，智能節點發送服務注冊請求，監控平臺返回服務注冊響應，傳感器采集數據，傳感器節點發送數據，智能節點接收數據，處理數據，以及向監控平臺發送發布數據。系統活動圖略——編者注。

2 軟硬件劃分

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

本文中實現的系統結構并不復雜，以功能為驅動，各個功能采用軟件還是硬件實現相對明確，所以采用按照功能模塊的方式對系統軟硬件進行劃分，并滿足成本、性能的約束，分別得到系統不同功能中的軟件部分和硬件部分，如圖2所示。

3 變頻傳感器節點設計與實現

采用陳儀香的發明專利［9］，提取出“可改變采樣頻率傳感器”的控制算法，設計實現變頻傳感器節點。

3.1 硬件設計

變頻傳感器節點的硬件組成：傳感 器、MCU、開 發 板、ZigBee 模塊、電源?？紤]到軟硬件協同的性能約束條件，所以盡可能選擇低功耗、價格便宜、滿足功能需求的硬件設備，在硬件器材方面選擇8 位處理器、低功耗的開發板。

硬件參數略——編者注。硬件部分的主要工作是傳感器采集數據，通過STM8S－Discovery開發板接收串口和信號轉換的外圍設備，采集數據，然后處理器對數據進行處理，由開發板串口的外圍設備發送數據，通過ZigBee模塊自動生成ZigBee協議數據包發送到匯聚節點。硬件設備結構圖見圖3。

3.2 軟件設計

圖2 軟硬件劃分圖

軟件開發工具選用STVD（ST 官方集成開發環境）、COSMIC（C語言編譯器）、ST－Link（仿真調試器）。

圖3 硬件設備結構圖

變頻控制算法介紹如下：根據發明專利“一種可改變采樣頻率的傳感器設備及其控制方法”［9］，得到變頻傳感器節點的控制算法。預先設定好監測數據的標準值，通過將傳感器采集到的數據與標準值進行求差比較計算誤差范圍，根據正常、警戒、報警等誤差級別調整采樣頻率。

以空氣溫度傳感器節點為例：一般大棚中對農作物適宜的溫度為25 ℃左右，所以設定標準值為25（不同應用，根據不同要求設定不同標準值）。通過與標準值的差（取絕對值），計算誤差范圍，正常范圍為［0，3］；警戒范圍為（3，10］；報警范圍為（10，∞）；設定初始采樣頻率為1／15（次／秒）。每次采集數據，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，則產生一次警戒記錄，并將采樣頻率調整為初始采樣頻率的3倍，即1／5；如果誤差屬于報警范圍，則產生一次報警記錄，并將采樣頻率調整為初始采樣頻率的5倍，當連續非正常記錄超過5次（根據具體應用可改），改變節點狀態（綠、黃、紅、分表表示正常狀態、警戒狀態、報警狀態），并將采樣頻率調整為初始采樣頻率的15倍。溫度－變頻算法控制流程圖見圖4。

圖4 溫度—變頻算法控制流程圖

其他類型的傳感器節點控制算法流程圖與圖4相類似，可以根據具體應用需求設定相關參數。

3.3 子系統集成

采用軟硬件協同設計的思想，軟件依次實現系統硬件中的每個功能模塊，并保證前一個測試通過，再進行下一個功能的迭代開發。

變頻傳感器節點實物圖略——編者注。

4 智能節點設計實現

4.1 硬件設計

硬件參數略——編者注。

硬件部分的主要工作是：ZigBee模塊接收WSN 傳來的數據，通過與其相連接的STM32L－Discovery開發板接收串口的外圍設備，接收變頻傳感器節點采集到的數據，處理器處理數據。一方面，通過開發板通用輸出設備發送電壓高低指令控制外部設備，另一方面由開發板發送串口的外圍設備發送數據，通過WiFi模塊自動生成TCP／IP協議數據包，經由互聯網發送至監控平臺Engine程序。同時，打開串口輸入中斷，監聽是否有數據輸入智能節點，若有則將數據存入緩沖區，接收完整數據包后交由處理器進行處理數據。硬件設備結構圖見圖5。

圖5 硬件設備結構圖

4.2 軟件設計

軟件開發工具選用ARM 公司的KeilμVsion4.70.0版本。開發用到的函數庫為ST 公司提供的固件庫V1.0.0版本。智能節點的計算包括對數據進行就近計算和嵌入Pipe協議并提供服務兩個部分。

4.2.1 就近計算部分

以綜合“診斷”為例，實現對異構數據的計算處理。

應用要求：大棚作物，滿足室內溫度為15～25 ℃，光照強度為0.1～1.5萬lx，土壤濕度為20%～35%，即為“正常狀態”，其他情況為“非正常狀態”。通過計算得出綜合“診斷”，并將“診斷”結果發送給監控平臺。

代碼實現：從SensorDatas［］［］中取出最新室內溫度值T、最新光照強度L、最新土壤濕度H，分別計算是否為T∈［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“正常”，如果有一個不滿足，result為“非正?！?，再通過硬件外設將result值發送給監控平臺。綜合“診斷”邏輯圖見圖6。

4.2.2 Pipe協議嵌入部分

充分利用趙偉等［7］提出的Pipe協議安全、實時、跨平臺的優勢，建立智能節點與監控平臺之間安全、實時的點對點通信。

將Pipe協議移植入智能節點，智能節點通過WiFi模塊向監控平臺Engine程序的“IP＋端口號”發送服務注冊請求，接收Engine端返回的注冊請求相應，分析數據包，得到申請注冊結果。如果成功，開始發送服務數據；如果失敗或者接收超時，則重新發送注冊請求。

智能節點實現Pipe協議的流程圖略——編者注。

圖6 綜合“診斷”邏輯圖

4.3 子系統集成

采用軟硬件協同設計的思想，軟件的實時實現根據硬件的能力和需求進行調整。完成每個功能模塊時，保證在已有硬件資源下軟件能協同硬件工作，再進行下一個功能的迭代，以此達到低重返率的目的，減少系統開發成本。至此，完成了智能節點的軟硬件協同設計。

5 系統集成

5.1 系統集成說明與集成結果

系統集成就是將變頻傳感器節點、智能節點集成為智能節點系統，實現內部數據交互，同時，智能節點系統與監控平臺實現通信。系統集成關系圖略——編者注。

5.2 系統集成實現

5.2.1 數據集成

3部分的數據要有一定的標準要求，才能互相識別和通信。智能節點與監控平臺之間的通信數據由Pipe協議定義，主要采用xml格式，如：注冊相關數據以＜GateProtocol＞為外層標簽，服務數據以＜DataFrame＞為外層標簽等。

5.2.2 通信集成

內網——ZigBee局域網介紹如下：變頻傳感器節點與智能節點之間，分別使用ZigBee模塊，自動將數據打包成ZigBee協議數據包，建立ZigBee局域網，實現相互通信。

外網——Internet分布介紹略——編者注。

結 語

本文設計實現的系統不僅適用于對農業、水體、大氣等自然環境的監控，而且適用于對特定人群的特定屬性進行監控，如在某一區域內，老人身體健康指標的監測及預警等。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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