基于嵌入式系統的傳感器應用試驗設計

趙文明

摘要：傳感器網絡是一種嶄新的信息獲取和處理技術，集成了傳感器、網絡、無線通信和嵌入式系統四大技術而形成。嵌入式系統是當前電子計算機的一種較普遍應用形式，此類電子系統不易被用戶注意，也可稱它為埋藏式計算機。本文主要介紹在傳感器網絡的系統組成、工作原理與嵌入式系統及其體系結構，以及無線傳感器中嵌入式系統的應用及發展現狀和未來前景。

關鍵詞：傳感器網絡；嵌入式系統

嵌入式系統是一種智能部件內裝于專用設備的高速計算機，它的主要功能是作為一個大型工程系統中的信息處理部件來控制專門的硬件設備。嵌入式計算機系統廣泛地用于辦公自動化、消費、通信、汽車、工業和軍事領域。近十年來，嵌入式系統得到了飛速的發展，它的運行離不開嵌入式操作系統。從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位，從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片，從只有實時內核到除了內核外還提供其他功能模塊如：文件系統TCP/IP網絡系統、GUI圖型系統等。

1 傳感器網絡系統組成及工作原理

傳感器網絡是未來計算環境的重要組成部分。它由多種類、大數量的傳感節點而構成的自治網絡，連接著現實世界，以此來實現對物理世界的感知了解。傳感器網絡是集合了信息采集、傳送、處理于一身的綜合智能的信息系統，它不需要專用特殊的通信路線；傳遞速度迅速；能夠傳送多種形式信號；對于任一種Web瀏覽器都適用；信息反饋形式多樣；同時又具備實時自動更新的功能，并且集合了通信、計算機、網絡與傳感器等技術，擁有十分廣闊的應用和研究發展價值。

傳感器網絡系統主要由無線設備模塊、服務器模塊、客戶界面模塊這3大模塊組成，其中服務器模塊又由無線接收模塊、網卡硬件模塊、網絡軟件模塊、嵌入式系統模塊這幾個部分構成。于此同時，研究者又一致把服務器當中的“無線接收模塊”和無線設備中的“無線發送模塊”合稱為“無線收發模塊”，而客戶界面模塊主要指瀏覽器。

傳感器收集到的數據通過數據采集器的處理加工，之后被傳遞到嵌入式系統中，經過相應的運算后，又由無線發射裝置傳出。無線接收裝置能夠在同一時間加工多個傳感器傳輸過來的信號，再將這些傳來的信息利用通信適配器（如RS232）送到主控機上。

2 嵌入式系統及其體系結構

嵌入式系統是電子計算機應用形式之一，通常情況下是指嵌入在電子設備中的微處理機系統。該系統的主要功能就是輔助幫助它所嵌入的電子設備，使它們這一整個系統的功能網絡化智能化，使其更好地為用戶提供優化的作用。所以在此類嵌入式系統中，計算機硬件系統中通常都包含有操作系統和應用軟件，這就讓該系統的應用軟件與硬件構成一體化。因此，嵌入式系統的硬件與應用軟件的高效率協同工作，就能夠在同樣的系統配置上實現更高的應用性能。

嵌入式系統是一種硬件和應用軟件相互配合并能夠分別單獨工作的系統，它的主要組成部分包括嵌入式微處理器、外部硬件設備、嵌入式操作系統以及應用軟件系統等。根據其應用方式的差異，可將嵌入式系統分為知識產權核（IP）級、模塊級和芯片級，它們都需要結合真實狀況，把需要的功能或模塊嵌入到各類應用系統產品中。其中知識產權核IP技術代表著知識產權，是該系統內部所要完成某項系統功能的核心，也是對擁有系統內部的某些特制硬件和軟件等技術的保障。IP核不僅指數字IP，也指IP核的模擬，IP核又包括軟核、硬核等。所以，綜上所述的核可能是芯片設計者設計的某一過程中所采用的軟核，也可能是設計者為保障技術需求而設計的專門過程中的硬核。模塊級是指該應用系統是由x86處理器組成的計算機系統模塊而嵌入構成的一種設計方式，這種方式的嵌入式系統重點是要縮小設備體積，增加設備使用的可靠性，將操作系統優化為嵌入式操作系統，同時把應用軟件固定在這樣的固態盤中。至于芯片級，是按照各種應用系統產品的具體情況或要求，選擇相對應的處理器芯片，共同構成嵌入式系統，并將相對應的系統軟件和應用軟件以固定的形式固化在不容易丟失的存儲器芯片中去。

3 通用嵌入式傳感器節點硬件平臺設計

3.1傳感器節點功能模塊劃分

根據節點設計原則，將通用嵌入式傳感器節點的硬件平臺分為以下幾個模塊：（1）核心模塊。（2）傳感器和外擴功能接口模塊。（3）通信模塊。（4）電源模塊。

3.2 核心模塊設計

（1）微處理器。微處理器是嵌入式傳感器節點工作的核心部件，不僅控制和管理節點的工作，也是各種功能擴展和實現的基礎。本節點設計采用ST公司的STM32F103微處理器。STM32F103基于針對低功耗和高性能應用的Cortex-M3內核，其時鐘頻率為72MHz，具備較強的數據處理能力；它具有豐富的外設接口，包括多個IIC、SPI接口以及USB、UART等接口電路，方便節點功能的擴展；集成12位A/D轉換器，不需要外接模數轉換芯片，降低了外圍電路的復雜程度。此外STM32F103有多種低功耗模式，并能夠通過實時時鐘喚醒工作，可以有效降低節點的功耗。

3.3傳感器和外擴功能接口模塊

接口模塊主要用于為外接傳感器提供接口，接口和一個針對模擬傳感器應用的可編程增益放大器。目前還沒有標準的數字傳感器通信總線，不過有調查結果表明，SPI串行外圍接口和IIC總線被廣泛用于大多數類型的測量及傳感器中，具有一定的通用性。

可編程增益放大器主要用于對模擬傳感器的信號進行放大，采用可編程功能可選放大倍數，可以滿足不同的信號放大需求。該芯片采用美國微芯公司生產的MCP6S28芯片，它有8個可供選擇的增益，可在多個通道之間切換。該芯片的靈活性，簡化了模擬部分電路，滿足節點的通用設計。

3.4節點應用測試

通用嵌入式傳感器節點已經在江蘇物聯網研究發展中心得到應用。應用結果表明，傳感器節點工作穩定可靠、擴展能力強，節點搭建方便。在應用中針對節點的功耗做了測試，節點在多種工作狀態下的功耗如表1所示。

從以上分析可以得出，節點在數據發送和接收時功耗會較大，主要是無線收發模塊的功耗相對較高導致。由于節點采用低功耗模式和工作模式交替運行，每工作0.5分鐘，節點即進入低功耗模式，待機時間設置為10分鐘，所以節點的平均功耗得到有效降低，實現了低功耗的目的。

4 結束語

目前，我國針對嵌入式系統的應用，主要還是體現在計算機外圍設備、信息家電、電子商務、網絡技術、國防工業、生物微電子技術等領域。而對于嵌入式系統在線可編程技術和數字信號處理器的結合的研究還較少，在未來，這將是該系統研究與應用的一個重要發展和研究方向。這有待于我們的研究者繼續深入探討和發現。

參考文獻

[1]楊吉.基于嵌入式系統的傳感器網絡的應用研究[J].信息與電腦，2009（11）：42-44.

[2]柯玉玲，魏臻.基于嵌入式系統的傳感器網絡節點的設計[J].計算機與現代化，2011（03）：74-77.

[3]洪家平.基于嵌入式系統的傳感器網絡的應用研究[J].工業儀表與自動化裝置，2007（02）：19-22.

[4]董毅南.嵌入式系統的應用前景[J].工業儀表與自動化裝置，2012（06）：10-13.

[5]劉濤，張純偉.基于嵌入式系統的傳感器網絡系統開發[J].電腦編程技巧與維護，2011（08）：104-110.

（作者單位：天津光電高斯通信工程技術股份有限公司）