基于電子技術的主動式傳感器物聯網控制系統設計

鄭子超，李永紅，岳鳳英，李玲

（中北大學，山西太原 030051）

由于布線困難、結構復雜等原因，傳統的有線測控系統往往不能滿足各種長短期環境監測應用的需要[1]。作為一種新的信息采集和處理技術，無線傳感器網絡越來越多地應用于各個領域[2]。但人員和大型設備常常難以到達危險且緊急情況的地點[3]，且無線傳感器網絡中的傳統節點不能進行現場組網，使得環境信息采集任務難以完成。使用ZigBee 主動式傳感器物聯網控制系統，既能保證數據的完整性，又能接入多個端口，可廣泛應用于物聯網；使用基于TrueTime的主動式傳感器物聯網控制系統，采用Matlab/Simulink 聯合仿真工具，可以研究網絡傳輸延遲對控制性能的影響，也可以用動態調度方法進行實驗研究。然而，這兩種方法都存在問題。無線傳感器網絡是動態的，節點是靜態的，傳感器節點部署好之后，它們就靜止了。由于數據匯聚，基站常常被固定下來。傳感器節點與基站之間缺乏一定的靈活性，因此無法根據監測對象的變化動態地調整節點的區域分布，也就無法保證系統的控制精度。為此，提出了基于電子技術的主動式傳感器物聯網控制系統，使用電子技術利用移動節點可控制主動式傳感器物聯網。

1 系統硬件結構設計

物聯網分為感知層、傳輸層和應用層，傳輸層為物聯網網絡控制器。感知層主要由傳感器網絡和數據采集設備組成，具有探測和短程通信功能[4-6]。傳感網絡由各種數據采集裝置、傳感器設備節點等組成，各種傳感器模塊構成數據采集裝置；傳輸層實現了遠程通信和網絡調節[7-9]。應用層采集的數據在以太網的基礎上實現了遠程傳輸，并且實現了與以太網的結合[10-12]。該層根據處理過的數據和信息為用戶提供應用和服務，對各種通信設備的信息進行處理和控制[13]。

系統硬件結構設計如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

1.1 協調器模塊

協調器模塊包含的部件有CC2530 芯片、I/O 連接器以及電源裝置。系統終端將數據傳輸至協調器中，協調器對其進行處理，并通過串口向主機發送處理數據[14]。該芯片的運行電壓為2～3.5 V，輸出功率的絕對值為4.5 dBm，具有8個ADC信道，每個信道的分辨率為13位。片中RAM 為6 kB，包括了系統內部模塊的通信棧[15]。FLASH 芯片大小為256 kB。其中有多個用于傳輸的端口，支持并行傳輸工作。調整器安裝了復位裝置，用于防止芯片的電壓過高導致其損壞的現象。

1.2 通信協議棧

所設計的系統需要建立與物聯網的通信協議堆疊，以此實現控制信號的傳輸，具體結構如圖2所示。

圖2 通信協議棧

由圖2 可知，芯片接收各傳感器數據，實現對終端模塊的檢測。依據數據的分析結果，輸出指令。構建通信協議棧，連接CC2530 芯片與電平轉換芯片RS232，并將電壓控制為工作額定電壓[16]。協調器打包處理過的數據與I/O 接口連接，以1～6 Mb/s的波特率實現PC 終端與協調器模塊的通信。USB 串口通信參數設置為8 位，以保證系統的通信功能正常。

1.3 外圍擴展模塊

在外圍擴展模塊電路中，網絡模塊采用DM9000AEP芯片，傳輸協議為802.3。選擇LC5740的5G 模塊來實現5G 網絡功能，完成與監控系統的數據交互。計算機輔助設計模塊和處理器之間是SPI 接口。使用MCP2515 芯片和SN65HVD230D 分別實現了從SPI格式到CAN 總線格式的數據轉換。RS485 與處理器的接口是UART 接口，使用SN65HVD11D 芯片實現UART 接口到RS485 總線級的轉換。除ARM 核心處理器和擴展模塊外，還應配置外圍擴展模塊，保證系統能夠正常工作。外圍擴展模塊如圖3所示。

圖3 外圍擴展模塊

1.4 無線移動節點結構設置

無線移動節點結構如圖4 所示。

由圖4 可知，無線移動節點結構由電源模塊、傳感器單元、通信處理單元和執行機構單元組成。其中傳感器單元包括溫度、光照和加速度傳感器元件，用來收集現場環境數據。通信處理單元的數據通過接口傳送，由主控單片機處理存儲。執行機構單元的主單片機根據基站發送的指令將采集到的數據發送給基站，也可請求協單片機完成相應的任務。該結構清晰，層次明確，維護方便，可適應各種環境監測場合。

圖4 無線移動節點結構

1.5 控制環結構

主動式傳感器與控制器、控制器與執行機構之間采用無線連接的方式，構成了物聯網控制環結構，如圖5 所示。

圖5 控制環結構

由圖5 可知，控制節點和執行/傳感節點分別是電子技術內核模塊和電子技術電池模塊。定期通過無線網絡將采集過程中傳感器節點的數據發送給控制器節點。控制節點可以是事件驅動的，也可以是時間驅動的，計算系統的反應時間，并將結果返回給事件驅動或時間驅動的執行器節點，控制信號傳輸速度。

2 系統軟件部分設計

物聯網控制系統的軟件是以硬件為基礎，實現不同通信協議的轉換以及數據采集終端與監控中心的連接。借助電子技術中的模擬技術，確定模糊規則，以實現所有程序的統一管理。

2.1 基于模擬電子技術的模糊規則設計

依據主動式傳感器物聯網規則，使用電子技術中的模擬電子技術，輸出模糊規則，并將規則數據庫的輸入數據模糊化，以此產生模糊規則矩陣：

式（1）中，wq×n表示模糊規則實施前矩陣；wqn表示規則模糊數，q為模糊規則的數量，規則庫中的系數矩陣計算公式如下所示：

式（2）中，Kqn表示矩陣生成的規則系數。若模糊化輸入向量，則會產生判定向量e，根據式（3）計算向量的隸屬度，以此決定是否對其進行控制。

若需要對其進行控制，則依據隸屬度大小，通過向對應的傳感器傳輸工作指令，對其進行控制。

2.2 控制流程設計

軟件部分由主功能部分開始，完成變量的定義和初始化，然后各子模塊完成相應的功能，使主功能進入無限循環，控制流程如圖6 所示。

圖6 控制流程設計

由圖6 可知，首先打開和初始化各個通信裝置。在初始化之后，等待服務器發送一個命令。當命令出現時，讀取命令代碼和命令長度，根據命令的長度來接收命令內容，然后再判斷命令處理線程是否需要處理命令，直到處理成功。

3 實 驗

3.1 實驗網絡拓撲結構設計

將實驗網絡拓撲結構分為3 個層次，分別是感知層、傳送層和應用層。感知層具備檢測功能，主要負責采集數據。物聯網控制系統通常在傳送層工作，具備遠程通信及網絡調節功能。應用層需根據處理的數據為用戶提供服務，處理多種通信設備信息。

3.2 實驗步驟

使用lntelCorei7-9700K型號的CPU，其具有3.6 GHz內存，能夠高效處理指令，用500 GB 硬盤存儲實驗。利用64 GB 硬盤，暫存實驗過程數據和結果數據。在NVIDIA RTX 2060 顯卡中，通過驅動顯示界面，使用Windows8.1 操作系統，能夠輔助系統實現相關操作。

3.3 實驗結果與分析

分別使用基于ZigBee的主動式傳感器物聯網控制系統、基于TrueTime的主動式傳感器物聯網控制系統和基于電子技術控制系統，對比分析系統的反應時間，如圖7 所示。

圖7 3種系統反應時間對比分析

使用基于ZigBee 主動式傳感器物聯網控制系統最長反應時間為2.7 s，使用基于TrueTime 主動式傳感器物聯網控制系統最長反應時間為2.4 s，使用基于電子技術控制系統最長反應時間為0.6 s，由此可知，使用基于電子技術控制系統反應時間較短，能夠快速作出反應。

使用3 種系統，對比分析電壓控制效果，如圖8所示。

圖8 3種系統電壓控制效果對比分析

由圖8 可知，使用基于ZigBee 主動式傳感器物聯網控制系統超調量大，輸出電壓在0.75～1.50 V 范圍內變化；使用基于TrueTime 主動式傳感器物聯網控制系統反應時間長，輸出電壓在0.75～1.25 V 范圍內變化；使用基于電子技術控制系統，超調量小，輸出電壓在0.95～1.05 V 范圍內變化，與實際的1.0 V 電壓相差最小。由此可知，使用基于電子技術控制系統電壓控制結果較為精準。

4 結束語

設計的基于電子技術的主動式傳感器物聯網控制系統，實現了主動式傳感器物聯網不同數據間的交互與傳輸，通過實驗證實了該系統經過模糊處理后，控制效果更精準，同時也證實了該系統具有良好的性能。隨著網絡規模的不斷擴大，利用該系統高效獲取物聯網拓撲結構中的數據，能夠為數據穩定、快速傳輸奠定基礎。