基于單片機控制的嵌入式智能無線傳感器設計

張希洋+曹國強+梁峰+欒美娟

摘 要： 針對傳統(tǒng)的嵌入式智能無線傳感器存在控制精度差、效率低的問題，通過對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡進行分析，對無線傳感節(jié)點通信協(xié)議進行改進，提出對無線傳感器網(wǎng)絡介質(zhì)訪問和路由的具體方案并給出代碼描述，設計了一種基于單片機控制的嵌入式智能無線傳感器。對傳感器的硬件部分進行分析，給出軟件設計實現(xiàn)步驟，最后進行實驗分析。仿真實驗結(jié)果證明，提出的方法解決了無線傳感器中異構(gòu)接口轉(zhuǎn)換的問題，提高了單片機控制的工作效率，具有一定的應用價值。

關(guān)鍵詞： 單片機控制； 嵌入式傳感器； 異構(gòu)接口轉(zhuǎn)換； 無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0080?03

Abstract： The traditional embedded intelligent wireless sensor has the problems of poor control precision and low efficiency. The existing wireless sensor networks are analyzed， and the communication protocol of wireless sensor nodes is improved to propose the specific scheme for wireless sensor network medium access and routing scheme， and give the code description. An embedded intelligent wireless sensor based on SCM control was designed. The hardware of the sensor is analyzed. The implementation steps of the software design are given. The experimental analysis of the sensor was performed. The simulation experiment results show that the method can solve the problem of heterogeneous interface conversion in wireless sensor network， improve the work efficiency of SCM control， and has a certain application value.

Keywords： SCM control； embedded sensor； heterogeneous interface conversion； wireless sensor networks

0 引 言

進入21世紀，單片機以其高效、節(jié)能等特點[1]在各個方面得到了廣泛的應用，然而，在科技迅速發(fā)展的今天，單一的單片機應用已經(jīng)不能更好地滿足工作需求。

無線傳感器與單片機結(jié)合具有非常廣闊的應用前景，通過無線傳感技術(shù)嵌入計算機技術(shù)及與現(xiàn)代的網(wǎng)絡進行通信融合[2]，能夠?qū)崟r對單片機進行控制、監(jiān)測，具有很高的潛在價值[3]。

由于采用面向應用領(lǐng)域這一特殊性來輔助本文的研究，因此使嵌入式智能無線傳感器具有更好的工作性能[4?5]。除此之外，基于單片機控制的嵌入式智能無線傳感器很好地解決了異構(gòu)系統(tǒng)接口混亂的復雜問題[6?7]。同時，基于單片機控制的無線傳感器節(jié)能效果十分好，并且對無線復雜情況變化有很強的應急能力[8?9]。

為此，本文提出一種基于單片機控制的嵌入式智能無線傳感器設計方法，通過無線傳感網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)進行分析，設計出傳感節(jié)點之間組成的硬件需求，通過對WSN通信協(xié)議進行設計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞控制過程中數(shù)據(jù)校驗和通信數(shù)據(jù)命令的軟件實現(xiàn)。仿真實驗結(jié)果證明，本文提出的方法提高了單片機控制的工作效率，具有一定的應用價值。

1 硬件設計

在對無線傳感器網(wǎng)絡進行設計的過程中，信息節(jié)點和處理中心的SINK節(jié)點是核心關(guān)鍵組成部分。

1.1 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點

無線傳感網(wǎng)絡是一個小型的嵌入式系統(tǒng)，節(jié)點命名方式很多，但大多的原理相似，只是采用不同的處理器和通信協(xié)議進行區(qū)分。

1.1.1 節(jié)點組成

無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點組成如圖1所示。

（1） 數(shù)據(jù)采集部分，不同的傳感器，例如，溫濕度傳感器、速度加速度傳感器、壓力傳感器、震蕩傳感器依據(jù)其監(jiān)測的目標、信號發(fā)生源和監(jiān)測精度等要求來選擇傳感器類型。所以，為了便于傳感器的研究且使成本下降，本文中采集數(shù)據(jù)的方法利用軟件模擬方法完成，這樣使節(jié)點更具有一般性的特點。

（2） 數(shù)據(jù)處理部分，將由軟件模擬方法收集的各類數(shù)據(jù)進行二次處理，并且把節(jié)點的關(guān)聯(lián)附加信息也加入到處理過程。另外，在進行二次處理過程的同時，需要完成成幀、差錯和校驗等后加工處理，同時還包括其他關(guān)聯(lián)的調(diào)度與管理操作過程。

（3） 數(shù)據(jù)生成和處理部分，通過微控制器來實現(xiàn)。最終數(shù)據(jù)在單片機的控制下進行有序的傳輸。

（4） 數(shù)據(jù)傳輸部分，這部分最關(guān)鍵的作用就是調(diào)制傳感信號，并在相關(guān)協(xié)議指導下進行數(shù)據(jù)發(fā)送，是軟硬件相互輔助的表現(xiàn)。

（5） 電源部分，其電源的質(zhì)量需要認真對待，同時，能耗問題也需要著重考慮。

數(shù)據(jù)采集部分主要實現(xiàn)對所需控制的單片機進行信號監(jiān)測以及工作動態(tài)跟蹤，以便于無線傳感網(wǎng)絡的研究[10?11] ，本文中采用軟件模擬方式獲取實驗數(shù)據(jù)信息，使節(jié)點更具一般性。

數(shù)據(jù)處理部分主要是針對產(chǎn)生的無線傳感數(shù)據(jù)進行二次處理，對節(jié)點信息進行附加，檢驗和糾正錯誤數(shù)據(jù)，并對傳感信息進行調(diào)度與管理。

數(shù)據(jù)傳輸部分主要實現(xiàn)嵌入式智能無線傳感信號的校對，在相關(guān)協(xié)議下完成單片機的智能控制，是連接軟件和硬件的重點部分[12?13]。

1.1.2 節(jié)點實現(xiàn)

對于無線傳感節(jié)點的實現(xiàn)主要是數(shù)據(jù)處理和傳輸兩大部分。

數(shù)據(jù)處理部分主要應用英特爾公司的I5處理器，該處理器與MSC?51系列產(chǎn)品全部兼容，具有較好的適應性。需要具有支持ISP等系統(tǒng)編程的存儲裝置和E2PROM的數(shù)據(jù)存儲器。寫入速度必須達到32 B/頁。8 GB內(nèi)存8個。系統(tǒng)靜態(tài)操作時0～24 Hz，電源工作范圍為2.7～5.5 V。

在無線傳感信號頻率為系統(tǒng)輸出信號功率為靈敏度為的情況下，系統(tǒng)接收與無線傳感網(wǎng)絡半徑的關(guān)系如下：

1.2 SINK節(jié)點

信息處理SINK中心節(jié)點：一是要具有處理中心的職能，將命令及時下達到各個位置；另一方面要在各個位置進行數(shù)據(jù)融合后做下一步處理。

SINK節(jié)點主要采用S3C44BOX速龍ARM7TDMI內(nèi)核，功耗較低，基本為靜態(tài)設計，適用于敏感應用。處理器是ARM公司的66 Hz的DMI處理器，支持ICE調(diào)試和代碼壓縮。SINK節(jié)點組成示意圖如圖2所示。

S3C44BOX集成手持設備及嵌入式系統(tǒng)和基于單片機的應用調(diào)試支持的解決方案，采用32位體系結(jié)構(gòu)進行指令，工作速度快，調(diào)度能力更強。節(jié)點連接采用RS 232接口，9針腳。

綜上所述，基于單片機控制的嵌入式智能無線傳感器設計要在資源消耗有限的情況下，對無線傳感器的設計做出調(diào)整，進行高效、低能耗地傳輸、處理數(shù)據(jù)。

2 軟件設計與實現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)采集、處理要求較大，對應用的環(huán)境也有較高要求，此外，在嵌入式單片機控制過程中還要求系統(tǒng)反應快，傳輸功率低。因此，在設計過程中必須要把握適應性和高融合能力。

采用多項式編碼，利用生成多項的多個數(shù)據(jù)檢測校驗進行編碼，編碼規(guī)則為：設有個數(shù)據(jù)，添加個校驗位，用表示數(shù)據(jù)位，把進行移動，相當于個校驗位空出。即：

由式（4）可知，用除以得出多項式，商為余數(shù)為。由此可知：

在編碼過程中，采用模2進行運算，在不進行借位的情況下，則有：

即為所求CRC碼，應為的整數(shù)倍。在檢驗數(shù)據(jù)的過程中，CRC編碼除以余數(shù)為0，說明數(shù)據(jù)正確，否則為錯誤。

其算法實現(xiàn)如下：

uintCal_ere（）

{wh1le（1en??=0）

{for（i=0x80：i！=0；i/=2）

{if（（crcl&0x8000）！=0）

{crcl*=2：crcl =0xl021：} //余式CRC乘以2再求CRC

else

{ercl*=2：}

if（（*ptr&i）！=0）crcl= 0X1021： //再加上本位CRC

}

ptr++；}

return（crcl）：}

通過對CRC編碼，采用模2運算，以一種空間轉(zhuǎn)換思想實現(xiàn)了無線傳感器的快速、高效求解和調(diào)度。

3 仿真實驗

通過仿真實驗來檢測本文設計的單片機控制的嵌入式智能無線傳感器的性能優(yōu)劣。

（1） 測試用硬件環(huán)境

主機運行核心處理器為：intelcoreTM i7 CPU 3.40 GHz；

主機運行內(nèi)存：與主板兼容的華碩4.00 GB內(nèi)存條1個。

（2） 測試用軟件環(huán)境

計算機為Windows7專業(yè)版 64位操作系統(tǒng)；客戶端操作系統(tǒng)和服務端操作系統(tǒng)內(nèi)存均為1 GB，2個CPU。

由于本文主要是對嵌入式智能無線傳感器進行設計，首先對無線傳感器接收無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)情況進行測試，結(jié)果見圖3。通過圖3能夠發(fā)現(xiàn)，隨著時間及無線數(shù)據(jù)量的不斷加大，嵌入式單片機接收數(shù)據(jù)的接收率隨之增大。

對無線傳感器抗干擾能力進行測試，主要考慮單片機控制過程中對無線信號的檢驗情況，如圖4所示。通過圖4能夠發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過20 min的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)信號較為平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)重大波動，對數(shù)據(jù)接收能夠達到單片機控制的嵌入式標準。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了單片機控制的嵌入式智能無線傳感器設計，該系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件部分主要由信息節(jié)點和處理中心的SINK節(jié)點組成。軟件設計部分主要采用多項式編碼。通過仿真實驗結(jié)果來看，本文設計基本符合工作實際需求，具有較高的可靠性和抗干擾能力。

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