物聯(lián)網(wǎng)中的嵌入式中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王虎

摘 要： 基于RFID環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)未考慮中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)任務(wù)的合理分配問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)容易受到環(huán)境的干擾，導(dǎo)致采集的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息精確度較低，故設(shè)計(jì)新的環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。采用傳感器模塊對(duì)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換等操作；通過(guò)MSP430F1611芯片的處理器模塊，合理分配中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中的工作任務(wù)；通過(guò)無(wú)線傳輸模塊完成中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收和傳輸，采用核心是LM1117芯片的能量供應(yīng)模塊為其他模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量支持。軟件部分實(shí)現(xiàn)了中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)包發(fā)送以及接收指令的工作過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的嵌入式中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息采集精度高、功耗低。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 嵌入式傳感器； 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)； 處理器模塊； 無(wú)線傳輸模塊； 能量供應(yīng)模塊

中圖分類號(hào)： TN711?34； TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）22?0064?04

Abstract： As the reasonable assignment problem of transfer node tasks is not considered in the embedded sensor transfer nodes in RFID?based environment monitoring Internet of Things （IoT）， the node energy supply is easily disturbed by the environment， which leads to low accuracy of the collected environment monitoring information. Therefore， novel embedded sensor transfer nodes in environment monitoring IoT are designed. The sensor module is used to collect the transfer node data， and perform A/D conversion and other operations. The processor module of the MSP430F1611 chip is used to reasonably assign the work tasks of the transfer nodes. The wireless transmission module is used to complete the receiving and transmission of transfer node data. The energy supply module with the LM1117 chip as its core is used to provide energy support for operations of other modules. In the software part， the work process of data acquisition， data processing， data packet sending and instruction receiving is realized for the transfer nodes. The experimental results show that the designed embedded transfer nodes have high accuracy and low power consumption in environment monitoring information acquisition.

Keywords： IoT； embedded sensor； transfer node； processor module； wireless transmission module； energy supply module

0 引 言

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及消費(fèi)產(chǎn)品技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛[1]。相關(guān)研究領(lǐng)域的專家將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境信息監(jiān)測(cè)中，物聯(lián)網(wǎng)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層[2]。環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集主要依賴于感知層功能的發(fā)揮，感知層主要由一些具備數(shù)據(jù)感知功能、通信功能的傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。因此設(shè)計(jì)高質(zhì)量的嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的獲取具有重要意義。傳統(tǒng)基于RFID環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，未考慮中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)任務(wù)的合理分配問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)容易受到環(huán)境的干擾，導(dǎo)致采集的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息精確度較低。本文設(shè)計(jì)新的環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，從硬件部分與軟件部分描述中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的功能與工作過(guò)程，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供關(guān)鍵性技術(shù)支持，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 物聯(lián)網(wǎng)中的嵌入式中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)感知層結(jié)構(gòu)

傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)共同構(gòu)成環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的感知層，本文對(duì)其中的傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)無(wú)規(guī)律地分布在環(huán)境被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的處理將獲取的數(shù)據(jù)信息輸送到匯聚節(jié)點(diǎn)；接收傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息、轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)的指令是匯聚節(jié)點(diǎn)的主要職責(zé)；接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息實(shí)施預(yù)處理以及向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令是上位機(jī)的主要功能。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的硬件部分由能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊以及處理器模塊共同構(gòu)成詳細(xì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1知：能量供應(yīng)模塊是傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)不同構(gòu)成部分的能量來(lái)源，為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量支持；嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理、加工、過(guò)濾、A/D轉(zhuǎn)換等操作都是通過(guò)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)[4]；中轉(zhuǎn)點(diǎn)工作任務(wù)的合理分配與設(shè)備的操作依賴于處理器模塊功能的發(fā)揮；嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收與傳輸通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 處理器模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)處理器模塊為MSP430F1611芯片，來(lái)自TI公司生產(chǎn)的MSP430系列。該芯片包含的信號(hào)電路齊全，且具有功率消耗低的優(yōu)勢(shì)。處理器模塊采用12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其速率上限為200 kbit·s-1。該處理器模塊的節(jié)能功能極其強(qiáng)大，節(jié)省了大量節(jié)點(diǎn)能量消耗[5]。

1.2.2 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)正常工作的運(yùn)行需要性能優(yōu)秀的無(wú)線傳輸模塊為支撐。為了提高抗干擾能力、擴(kuò)大使用范圍，本文設(shè)計(jì)的嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采用2.4 GHz ZigBee短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，具有構(gòu)建高質(zhì)量、高難度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力[6]。將TI公司研發(fā)的CC2530F256芯片應(yīng)用在文章設(shè)計(jì)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中，同時(shí)運(yùn)行ZigBee2007/PRO協(xié)議，協(xié)調(diào)器自動(dòng)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送地址的操作可通過(guò)上電自動(dòng)組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

感知電路與信號(hào)電路共同構(gòu)成傳感器模塊，嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集功能主要通過(guò)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)。其中感知電路的數(shù)據(jù)感知功能主要是對(duì)溫度、濕度、氣體等數(shù)據(jù)的獲取，發(fā)揮積分電路、放大電路的功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并對(duì)其實(shí)施凈化操作，采用A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將處理后的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的需求進(jìn)行傳輸[7]。

由于環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的種類繁多，具體分為溫度、濕度、氣體、加速度等傳感器。土壤、水環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)可通過(guò)普通的溫濕度傳感器進(jìn)行獲取，而氣體相關(guān)數(shù)據(jù)需要采用氣體傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。能量支持存在限制、處理能力弱，是嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)，且嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)體積必須小巧[8]。基于這些因素，嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的研發(fā)受到極大限制。

1.2.4 能量供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

電池供電是嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)不同組成部分的主要能量提供方式。圖2詳細(xì)描述了能量供應(yīng)模塊的電源電路圖。

由圖2可知，能量供應(yīng)模塊的調(diào)壓器是LM1117芯片，掌握電流的動(dòng)向、使電流不被損壞是其優(yōu)勢(shì)，1.8 V，2.5 V，2.85 V以及3.3 V的不變電壓輸出均來(lái)自LM1117芯片。電池產(chǎn)生的5～9 V經(jīng)過(guò)降壓處理，輸出3.3 V電壓，嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的電量支持均來(lái)源于此。

1.3 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)工作流程實(shí)現(xiàn)

匯聚節(jié)點(diǎn)將查詢與控制指令傳達(dá)給嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，由其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與指令響應(yīng)[9]。中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取呈周期性規(guī)律，定時(shí)器會(huì)在預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間點(diǎn)停止數(shù)據(jù)采集，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)接收到的查詢與控制指令通常以終止信號(hào)的方式進(jìn)行處理[10]。圖3描述了中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的工作流程。由圖3知，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的硬件模塊與協(xié)議棧進(jìn)行初始化，加入環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始工作。當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送等操作；若定時(shí)器未中斷，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收指令狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的性能，對(duì)采用該設(shè)計(jì)的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，主要方式是監(jiān)測(cè)H公寓的溫度、濕度、氣體環(huán)境，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。將18個(gè)傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)均勻安置在H公寓5層樓的樓梯處、天花板處等不同角落，其中包括溫度傳感器、濕度傳感器、CO2氣體傳感器、SO2氣體傳感器。

實(shí)驗(yàn)主要從中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的溫度采集精度和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的丟包率兩方面分析本文設(shè)計(jì)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的性能，將獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納制成圖表。

2.2 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)性能分析

2.2.1 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的溫度采集精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將本文中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)與融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。采用相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在12個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。兩種中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)獲取的溫度值以及真實(shí)的溫度值如表1所示。

由表1知，在12次溫度采集中，本文中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采集的溫度值與真實(shí)溫度值吻合程度較高，平均溫度值為20.27 ℃，與真實(shí)溫度值僅僅相差0.01 ℃；融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)獲取的溫度值與真實(shí)溫度值相比誤差較大，平均溫度值為18.78 ℃，與真實(shí)溫度值相差1.49 ℃。綜上所述，本文中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采集的溫度值與真實(shí)溫度值趨于一致，且與融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)相比精確度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)在溫度采集方面具有高精度的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)丟包率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

丟包率反映了中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與接收的能力，將本文中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)與融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)、基于ZigBee協(xié)議的傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)CO2氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與研究，進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，計(jì)算每次實(shí)驗(yàn)不同中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的丟包率平均值，將其制成表2。

分析表2能夠看出，本文中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采集空氣中CO2含量的丟包率均值為0.05%，為三種中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中最低；融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采集空氣中CO2含量的丟包率均值為0.13%；基于ZigBee協(xié)議的傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采集空氣中CO2含量的丟包率均值為0.13%，與融合RFID中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的丟包率均值相同。綜合比較上述數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)獲取的丟包率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)、誤差小。

3 結(jié) 論

本文從硬件與軟件兩部分對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集精度高、丟包率低的優(yōu)勢(shì)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供有效的技術(shù)支持，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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