基于嵌入式的傳感器網絡智能控制端設計與實現

陳長輝

摘 要： 由于用戶信息量龐大且多樣，使得傳統智能控制端嵌入式操作系統無法對其進行有效控制，能耗不穩且控制效率低。因此，構建能耗穩定且控制效率高的智能控制端嵌入式操作系統，該系統由傳感器網絡和終端組成。傳感器網絡由采集模塊、微處理模塊和智能通信模塊組成。采集模塊利用PT100傳感器采集傳感器網絡節點信號，并經由AD7793模/數轉換器將初始信號轉換成電流信號和電壓信號。微處理模塊集中管理采集模塊傳輸來的信號，并將管理后的信號傳輸到智能通信模塊中進行多步處理，以獲取電壓和電流的最終信號。終端管理整個系統的工作流程，并通過處理電壓和電流的最終信號，提供給用戶多種控制指令。軟件給出了終端控制信號采集工作的流程圖，以及系統調用電壓和電流最終信號的代碼語言。實驗結果表明，所設計系統擁有能耗穩定、控制效率高的特點。

關鍵詞： 傳感器網絡； 智能控制端； AD7793； PT100傳感器

中圖分類號： TN711?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0077?04

Design of intelligent control terminal of embedded sensor network

CHEN Changhui

（Guangzhou Panyu Polytechnic， Guangzhou 511483， China）

Abstract： Since the traditional intelligent control terminal embedded operating system can't control the huge and diverse information effectively， and its energy consumption is unstable and its control efficiency is low， an intelligent control terminal embedded operating system with stable energy consumption and high control efficiency was built. The system consists of sensor network and terminal. The sensor network is composed of acquisition module， microprocessor module and intelligent communication module. The acquisition module collects sensor network node signal by means of PT100 sensor， and converts the original signal into current signal and voltage signal by means of AD7793 AD converter. The microprocessor module performs a centralization management of the signals from the acquisition module， and transmits the signal to the intelligent communication module for multi?step processing to get the final voltage and current signals. The terminal controls working process of the whole system， provides users with a variety of control instructions by processing the final voltage and current signals. The flow chart of the terminal control signal acquisition and code language that the system calls voltage and current signals are given. The experimental results show that the designed system has the characteristics of stable energy consumption and high control efficiency.

Keywords： sensor network； intelligent control end； AD7793； PT100 sensor

0 引 言

隨著網絡通信的不斷壯大，用戶信息存儲量越來越大，用戶對信息的控制需求也日漸增長。嵌入式操作平臺以其精簡、快速和專業等優點，漸漸成為智能控制端的核心組成部分[1?3]。由于用戶信息量龐大且多樣，使得傳統智能控制端嵌入式操作系統無法對其進行有效控制，能耗不穩且控制效率低。因此，構建出能耗穩定且控制效率高的智能控制端嵌入式操作系統，已成為國際科研組織的重點研究項目[4?6]。

以往研究的智能控制端嵌入式操作系統均存在一定的問題，如文獻[7]提出芯片群智能控制端嵌入式操作系統，該系統在芯片群中寫入各種控制指令，用戶只需將蘊含控制指令的芯片群與待測設備相連，便可實現系統對待測設備的智能控制。但芯片群的存儲信息量不高，導致整個系統的控制效率偏低。文獻[8]提出中央處理器智能控制端嵌入式操作系統，該系統擁有處理效率高、兼容性強等優點，能夠最大化地縮減系統能耗，但整個系統的實用性不高且操作復雜。文獻[9]提出完全互聯網化智能控制端嵌入式操作系統，該系統運行過程中的所有工作均在互聯網上進行虛擬操作，其處理效率高、能耗小且更加智能，實現了系統對待測設備的完全智能控制。但該系統價格昂貴，普通用戶無法承受。文獻[10]提出單片機智能控制端嵌入式操作系統，該系統利用單片機管理各個模塊間信號的互傳，再經由嵌入式操作平臺進行系統的智能控制。單片機的價格低，只能管理信息量不高的待測設備，故整個系統的應用性偏低。

為了解決以上問題，構建傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統。實驗結果表明，本文系統擁有能耗穩定、控制效率高的特點。

1 傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統設計

1.1 系統總體設計

傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統由傳感器網絡和終端組成，傳感器網絡由采集模塊、微處理模塊和智能通信模塊組成，如圖1所示。

傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統利用傳感器網絡對待測設備的信號進行采集和管理，并以終端為控制核心，實現各模塊間無線傳感網絡節點信息的傳輸和處理。終端采用嵌入式操作平臺對整個系統實施控制操作。嵌入式操作平臺擁有高精度和低成本等優點，能夠實現系統資源的合理配置、指令的快速發送以及工作流程的準確控制。

1.2 采集模塊設計

系統中的采集模塊進行傳感器網絡節點信號的采集工作，并將采集到的信號轉換成較為穩定的電流信號和電壓信號。該模塊由變送器、傳感器和模/數轉換器組成。由于采集模塊的工作壓力較大，能耗偏高，因此，傳感器網絡選用某公司生產的SV3300一體化渦流變送器，對采集模塊中的信號進行實時降能處理。該變送器的頻率響應范圍是[5 Hz，5 kHz]，并擁有防射頻和防電磁干擾的涂層，延長了變送器電路元件的使用壽命。SV3300一體化渦流變送器將采集模塊的電源電壓適當提升，縮減電路能耗損失，并只提供待測信號傳輸過程的電量。當傳輸通道空閑時，將電源供電開關關閉。

傳感器能夠將采集到的待測信號轉換為國際標準傳輸信號。傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統選用某公司設計的PT100傳感器，該傳感器能夠同時監測待測設備的溫度值和濕度值，其對溫、濕度的監測范圍分別是[-200 ℃，200 ℃]和[0，100% RH]。若待測信號不止溫度和濕度兩種，則可額外添加特定功能的元件。

如需進行傳感器網絡節點中電壓、電流以及接口傳輸等電力信號的采集，可在傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統中添加多功能傳感器。多功能傳感器擁有RS 485通信接口，能夠將串行通信接口直接轉變成Modbus?RTU接口，使用較為方便。且多功能傳感器電路有內置的電源和通信串口，這兩個額外的組件能夠擴大傳感器網絡的控制范圍，并使系統能夠更好地下達智能控制指令。傳感器將采集到的待測信號進行初步管理，并傳輸到模/數轉換器。

模/數轉換器選用某公司生產的AD7793模/數轉換器，該模/數轉換器的測量精度高、能量利用率大且轉換速度快。圖2是AD7793模/數轉換器電路圖。

圖2 AD7793模/數轉換器電路圖

假設傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統無需進行傳感器網絡節點中電壓、電流以及接口傳輸等電力信號的采集，則由圖2可知，AD7793模/數轉換器經由串行外設接口接收PT100傳感器傳輸來的信號，并利用AD7793模/數轉換器內置的電流發生裝置和調節電阻對該信號進行處理，進而得到較為穩定的電流信號和電壓信號，并將其傳輸到微處理模塊。

1.3 微處理模塊設計

傳感器網絡的微處理模塊在傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統中扮演者“管理者”的角色，其核心是微處理器。微處理器能夠對采集模塊中傳輸來的信號進行集中管理，其主要工作內容是避免采集模塊中電流信號和電壓信號在傳輸中的能量丟失情況，進而保證傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的控制效率。

傳感器網絡節點的能耗與微處理器的性能息息相關，為了盡可能地降低傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的能耗，選用某公司設計的LPC2138嵌入式微處理器。LPC2138嵌入式微處理器的性能較為靈活，為用戶提供了多種電源操作模式，且其價格親民、穩定性良好，能夠較好地滿足用戶使用需求。經由微處理模塊處理后的電流信號和電壓信號將傳輸到智能通信模塊。

1.4 智能通信模塊設計

傳感器網絡智能通信模塊的核心元件是射頻收發器，選用某公司設計的CC2420射頻收發器。CC2420射頻收發器的功能強大，制作工藝考究，且能耗非常低，其信號傳輸速率最大值為250 Kb/s，強有力地保障了傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的控制效率。圖3為CC2420射頻收發器的電路圖。

由圖3可知，CC2420射頻收發器的工作原理為：CC2420射頻收發器接收到微處理模塊傳輸來的電壓信號和電流信號后，利用壓控振蕩器和皮爾斯振蕩器對二者進行信號放大處理，組成射頻信號，并對射頻信號進行變頻、過濾、模數轉換、信號智能增益和信號縮小等處理，以獲取電壓和電流的最終信號。

傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的終端可通過處理電壓和電流的最終信號，提供給用戶多種控制指令。

2 軟件設計

傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的終端管理著整個系統的工作流程，采集模塊根據終端上的軟件發出的指令進行傳感器網絡節點信號的采集工作。

傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的傳感器網絡節點主要有：PT100傳感器節點、SV3300一體化渦流變送器節點以及CC2420射頻收發器節點，系統從以上節點能夠采集到溫度、濕度、壓力以及頻率等參數。圖4是終端控制信號采集工作流程圖。

由圖4可知，在采集模塊進行傳感器節點信號采集工作的同時，傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統中各模塊電路的計時器也開始工作。計時器所測量到的數據會被納入到采集信號當中一起進行信號的處理工作，并將其傳輸到終端。若終端收到已處理過的信號，則對該信號進行控制和分析。終端對信號的控制和分析過程，一部分是經由管控傳感器網絡實現的，另一部分則是由用戶人為管控；若終端沒有收到信號或收到的信號并未經過處理，則該信號會被傳回傳感器網絡，重新進行處理。

當系統無需進行傳感器節點信號的采集工作時，采集模塊處于休眠狀態，此過程不消耗能量。為了維持傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統的不間斷工作，軟件為休眠中的采集模塊配備了“叫醒”功能。當采集模塊處于休眠狀態，若此時傳感器網絡的節點信號有更新，“叫醒”功能會自動將采集模塊調節至正常工作狀態。

軟件基于嵌入式操作系統的運行特點，給出了傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統調用電壓和電流最終信號的代碼語言如下：

vositeinitR_TRX（Element8_B_AssessSITE，Equipment_

ABST_Rank_R_TRXC_Return_s t）

{

Equipment_ABST_Rank_R_TRX_dfg_wsn.；

R_TRXDeploy.deploy.ured= TRUE；

R_TRXDeploy.BAssess= BAssessSITE；

R_TRXDeploy.regulate_ = FALSE；

R_TRXDeploy.regulate_TXINThold =48；

R_TRXDeploy.na.maxTMDDimension= RECEIVE_TMD_

LENGTH；

R_TRXDeploy.sa.maxTMDDimension= 128；

R_TRXDeploy.siteleOvertime= 6；

R_TRXDeploy.intEnable= TRUE；

R_TRXDeploy.callReturnFunction= t；

Equipment_ABST_Rank_R_TRXUnfol（EQUIPMENT_ABST_

RANK_R_TRX_PORT_0，&R _TRXDeploy.）；}

vositeR_TRX_ReceiveCB（Element8_port，Element8_event ）

{

Element4 pTMD[RECEIVE_TMD_LENGTH]；

Element8_length；

if（event！=EQUIPMENT_ABST_RANK__R _TRX_TX_EMPTY ）

Element16destination=（（Element16）pTMD[1]） or（（Element16）pTMD[3]<<8））；

Element8_orderSite = pTMD[3]；

z_DeliverySignalStandard（destination，orderSite，1，pTMD，0，AF_MSG_ACK_DEMAND， 0 ）；

} } }

3 實 驗

為了驗證本文設計的傳感器網絡智能控制端嵌入式操作系統擁有能耗穩定、控制效率高的特點，進行對比試驗。實驗利用單片機智能控制端嵌入式操作系統與本文系統，在相同條件下，對相同的實驗設備進行了系統能耗實驗與控制實驗。

3.1 能耗測試

由于待測設備在不同環境下所產生的信息存在差異性，因此，實驗分別在溫度為10 ℃和25 ℃的條件下，保持其他環境因素不變，利用單片機智能控制端嵌入式操作系統與本文系統進行同一設備的信息采集工作，并分別記錄下兩系統的實時能耗值。實驗結果如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可知，單片機智能控制端嵌入式操作系統在溫度為25 ℃的條件下的實時能耗信息與采集時間呈正相關性，且增長幅度在國家標準范圍內，系統的平均能耗為35 kW/min；在溫度為10 ℃的條件下，系統的實時能耗在采集45 min之后開始大幅度增加，此時系統處于非正常工作狀態，平均能耗較高，且超出國家標準范圍。在溫度為25 ℃和10 ℃的條件下，本文系統的實時能耗變動不大，且其平均值均低于單片機智能控制端嵌入式操作系統平均實時能耗值。實驗結果表明，本文系統擁有能耗穩定的特點。

3.2 控制效率測試

實驗在相同條件下，同時改變實驗設備與單片機智能控制端嵌入式操作系統和本文系統的測量節點距離，并分別記錄下兩系統的控制效率。圖7和圖8分別是單片機智能控制端嵌入式操作系統和本文系統的控制效率曲線。

由圖7、圖8可知，單片機智能控制端嵌入式操作系統的控制效率同實驗設備與測量節點的距離息息相關，實驗設備與測量節點距離越近，系統的控制效率就越高，其控制效率的平均值為62.5%；而本文系統控制效率的平均值為82.2%，且控制效率曲線較為平穩。實驗結果表明，本文系統擁有控制效率高的特點。

4 結 論

本文構建了能耗穩定且控制效率高的智能控制端嵌入式操作系統，該系統由傳感器網絡和終端組成。傳感器網絡由采集模塊、微處理模塊和智能通信模塊組成。采集模塊利用PT100傳感器采集傳感器網絡節點信號，并經由AD7793模/數轉換器將初始信號轉換成電流信號和電壓信號。微處理模塊集中管理采集模塊傳輸來的信號，并將管理后的信號傳輸到智能通信模塊中進行多步處理，以獲取電壓和電流的最終信號。終端管理整個系統的工作流程，并通過處理電壓和電流的最終信號，提供給用戶多種控制指令。軟件給出了終端控制信號采集工作的流程圖，以及系統調用電壓和電流最終信號的代碼語言。實驗結果表明，所設計系統擁有能耗穩定、控制效率高的特點。

參考文獻

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