何康力，陳儀香，王江濤

（1.華東師范大學 軟件學院 教育部軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心，上海200062；2.上海嵌入式系統(tǒng)研究所）

何康力（博士研究生），主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、量化驗證、概率模型檢測；陳儀香（博士生導師），主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、實時協(xié)同規(guī)范語言設(shè)計、程序語義模型、軟件可信度量與評估；王江濤（高級工程師），主要研究方向為嵌入式計算技術(shù)。

引 言

物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)物物“溝通”、實時交互，對物聯(lián)網(wǎng)的研究和實現(xiàn)已經(jīng)成為當今的熱點。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)在實時性、與環(huán)境交互性上已經(jīng)不能滿足生活和工業(yè)的需求，同時爆炸式的信息傳遞到后端服務(wù)器中處理已經(jīng)帶來了許多困擾。如何減少數(shù)據(jù)傳輸量、降低能量消耗、采用合理的數(shù)據(jù)融合算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。

1 需求分析

1.1 模型場景描述及分析

以農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測作為案例背景，例如大棚作物養(yǎng)殖，需求主要分為兩個部分：①用戶可以在PC 端或者移動端等不同網(wǎng)絡(luò)方式下得到傳感器傳來的實時數(shù)據(jù)；②前端節(jié)點根據(jù)不同測量值的變化判斷農(nóng)作物是否處于正常環(huán)境，并通過控制制動裝置調(diào)節(jié)環(huán)境或預(yù)警。由此分析可得，智能傳感器節(jié)點系統(tǒng)主要由兩部分組成：數(shù)據(jù)輸入端和具有計算功能的智能傳感器節(jié)點（簡稱“智能節(jié)點”）。

數(shù)據(jù)輸入端由WSN 中傳感器節(jié)點組成，智能節(jié)點通過接收來自ZigBee局域網(wǎng)的不同種傳感器數(shù)據(jù)，對異構(gòu)數(shù)據(jù)進行處理、就近計算，根據(jù)具體應(yīng)用需求得到結(jié)果，發(fā)送至監(jiān)控平臺，并實現(xiàn)對外部裝置制動控制的功能；通過將趙偉等［7］提出的Pipe協(xié)議移植到智能節(jié)點中，智能節(jié)點可通過Internet與監(jiān)控平臺建立安全、可靠、實時的點對點通信，并對外提供服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺連接與共享。

1.2 智能傳感器節(jié)點系統(tǒng)體系架構(gòu)

智能傳感器節(jié)點系統(tǒng)主要分為感知模塊、WSN 協(xié)議模塊、控制計算模塊、WiFi模塊。其中感知模塊負責采集數(shù)據(jù)；WSN協(xié)議模塊采用ZigBee協(xié)議進行通信；控制計算模塊實現(xiàn)智能節(jié)點的就近計算、制動控制及網(wǎng)絡(luò)通信；WiFi模塊實現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)，傳輸并接收來自互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。

圖1為智能節(jié)點系統(tǒng)的體系架構(gòu)，其中虛線部分為智能節(jié)點系統(tǒng)與外界通信、交互。管道傳輸模塊為監(jiān)控平臺對外提供服務(wù)接口，將服務(wù)端（智能節(jié)點）發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過Pipe協(xié)議對外通信。制動模塊由智能節(jié)點發(fā)出的控制信號驅(qū)動。

1.3 業(yè)務(wù)描述——UML建模

1.3.1 用例圖

系統(tǒng)主要分為感知器子系統(tǒng)（包括變頻傳感器節(jié)點）和智能節(jié)點子系統(tǒng)（包括智能節(jié)點）。用例的參與者既包括系統(tǒng)的使用者——系統(tǒng)管理員，也包括相關(guān)的硬件設(shè)備——傳感器、ZigBee模塊、WiFi模塊、MCU、輸氧裝置等。每個子系統(tǒng)的用例即為各部分主要的功能。

1.3.2 活動圖

由于活動圖描述的是業(yè)務(wù)流程，其涉及到智能節(jié)點系統(tǒng)內(nèi)部以及對外的通信和交互，所以加入監(jiān)控平臺部分。參與活動的類包括：變頻傳感器節(jié)點、智能節(jié)點、監(jiān)控平臺。整個系統(tǒng)主要實現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程有：智能節(jié)點系統(tǒng)，監(jiān)控平臺接通電源，智能節(jié)點發(fā)送服務(wù)注冊請求，監(jiān)控平臺返回服務(wù)注冊響應(yīng)，傳感器采集數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，智能節(jié)點接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，以及向監(jiān)控平臺發(fā)送發(fā)布數(shù)據(jù)。系統(tǒng)活動圖略——編者注。

2 軟硬件劃分

軟硬件劃分至今沒有一個明確的定義，加上其劃分算法的求解本身就是一個NP完全問題［10］，所以不存在一種最好的劃分方法，只有針對具體應(yīng)用系統(tǒng)，采用一種相對最適合的方法。

本文中實現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，以功能為驅(qū)動，各個功能采用軟件還是硬件實現(xiàn)相對明確，所以采用按照功能模塊的方式對系統(tǒng)軟硬件進行劃分，并滿足成本、性能的約束，分別得到系統(tǒng)不同功能中的軟件部分和硬件部分，如圖2所示。

3 變頻傳感器節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

采用陳儀香的發(fā)明專利［9］，提取出“可改變采樣頻率傳感器”的控制算法，設(shè)計實現(xiàn)變頻傳感器節(jié)點。

3.1 硬件設(shè)計

變頻傳感器節(jié)點的硬件組成：傳感 器、MCU、開 發(fā) 板、ZigBee 模塊、電源?？紤]到軟硬件協(xié)同的性能約束條件，所以盡可能選擇低功耗、價格便宜、滿足功能需求的硬件設(shè)備，在硬件器材方面選擇8 位處理器、低功耗的開發(fā)板。

硬件參數(shù)略——編者注。硬件部分的主要工作是傳感器采集數(shù)據(jù)，通過STM8S－Discovery開發(fā)板接收串口和信號轉(zhuǎn)換的外圍設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，然后處理器對數(shù)據(jù)進行處理，由開發(fā)板串口的外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，通過ZigBee模塊自動生成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送到匯聚節(jié)點。硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見圖3。

3.2 軟件設(shè)計

圖2 軟硬件劃分圖

軟件開發(fā)工具選用STVD（ST 官方集成開發(fā)環(huán)境）、COSMIC（C語言編譯器）、ST－Link（仿真調(diào)試器）。

圖3 硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

變頻控制算法介紹如下：根據(jù)發(fā)明專利“一種可改變采樣頻率的傳感器設(shè)備及其控制方法”［9］，得到變頻傳感器節(jié)點的控制算法。預(yù)先設(shè)定好監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準值，通過將傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標準值進行求差比較計算誤差范圍，根據(jù)正常、警戒、報警等誤差級別調(diào)整采樣頻率。

以空氣溫度傳感器節(jié)點為例：一般大棚中對農(nóng)作物適宜的溫度為25 ℃左右，所以設(shè)定標準值為25（不同應(yīng)用，根據(jù)不同要求設(shè)定不同標準值）。通過與標準值的差（取絕對值），計算誤差范圍，正常范圍為［0，3］；警戒范圍為（3，10］；報警范圍為（10，∞）；設(shè)定初始采樣頻率為1／15（次／秒）。每次采集數(shù)據(jù)，如果誤差屬于正常范圍，則不改變采樣頻率；如果誤差屬于警戒范圍，則產(chǎn)生一次警戒記錄，并將采樣頻率調(diào)整為初始采樣頻率的3倍，即1／5；如果誤差屬于報警范圍，則產(chǎn)生一次報警記錄，并將采樣頻率調(diào)整為初始采樣頻率的5倍，當連續(xù)非正常記錄超過5次（根據(jù)具體應(yīng)用可改），改變節(jié)點狀態(tài)（綠、黃、紅、分表表示正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、報警狀態(tài)），并將采樣頻率調(diào)整為初始采樣頻率的15倍。溫度－變頻算法控制流程圖見圖4。

圖4 溫度—變頻算法控制流程圖

其他類型的傳感器節(jié)點控制算法流程圖與圖4相類似，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

3.3 子系統(tǒng)集成

采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，軟件依次實現(xiàn)系統(tǒng)硬件中的每個功能模塊，并保證前一個測試通過，再進行下一個功能的迭代開發(fā)。

變頻傳感器節(jié)點實物圖略——編者注。

4 智能節(jié)點設(shè)計實現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計

硬件參數(shù)略——編者注。

硬件部分的主要工作是：ZigBee模塊接收WSN 傳來的數(shù)據(jù)，通過與其相連接的STM32L－Discovery開發(fā)板接收串口的外圍設(shè)備，接收變頻傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，處理器處理數(shù)據(jù)。一方面，通過開發(fā)板通用輸出設(shè)備發(fā)送電壓高低指令控制外部設(shè)備，另一方面由開發(fā)板發(fā)送串口的外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，通過WiFi模塊自動生成TCP／IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控平臺Engine程序。同時，打開串口輸入中斷，監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)輸入智能節(jié)點，若有則將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，接收完整數(shù)據(jù)包后交由處理器進行處理數(shù)據(jù)。硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

4.2 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)工具選用ARM 公司的KeilμVsion4.70.0版本。開發(fā)用到的函數(shù)庫為ST 公司提供的固件庫V1.0.0版本。智能節(jié)點的計算包括對數(shù)據(jù)進行就近計算和嵌入Pipe協(xié)議并提供服務(wù)兩個部分。

4.2.1 就近計算部分

以綜合“診斷”為例，實現(xiàn)對異構(gòu)數(shù)據(jù)的計算處理。

應(yīng)用要求：大棚作物，滿足室內(nèi)溫度為15～25 ℃，光照強度為0.1～1.5萬lx，土壤濕度為20%～35%，即為“正常狀態(tài)”，其他情況為“非正常狀態(tài)”。通過計算得出綜合“診斷”，并將“診斷”結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控平臺。

代碼實現(xiàn)：從SensorDatas［］［］中取出最新室內(nèi)溫度值T、最新光照強度L、最新土壤濕度H，分別計算是否為T∈［15，25］，L∈［0.1，1.5］，H∈［20，35］；定義變量result，如果以上公式都滿足，result為“正?！保绻幸粋€不滿足，result為“非正常”，再通過硬件外設(shè)將result值發(fā)送給監(jiān)控平臺。綜合“診斷”邏輯圖見圖6。

4.2.2 Pipe協(xié)議嵌入部分

充分利用趙偉等［7］提出的Pipe協(xié)議安全、實時、跨平臺的優(yōu)勢，建立智能節(jié)點與監(jiān)控平臺之間安全、實時的點對點通信。

將Pipe協(xié)議移植入智能節(jié)點，智能節(jié)點通過WiFi模塊向監(jiān)控平臺Engine程序的“IP＋端口號”發(fā)送服務(wù)注冊請求，接收Engine端返回的注冊請求相應(yīng)，分析數(shù)據(jù)包，得到申請注冊結(jié)果。如果成功，開始發(fā)送服務(wù)數(shù)據(jù)；如果失敗或者接收超時，則重新發(fā)送注冊請求。

智能節(jié)點實現(xiàn)Pipe協(xié)議的流程圖略——編者注。

圖6 綜合“診斷”邏輯圖

4.3 子系統(tǒng)集成

采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，軟件的實時實現(xiàn)根據(jù)硬件的能力和需求進行調(diào)整。完成每個功能模塊時，保證在已有硬件資源下軟件能協(xié)同硬件工作，再進行下一個功能的迭代，以此達到低重返率的目的，減少系統(tǒng)開發(fā)成本。至此，完成了智能節(jié)點的軟硬件協(xié)同設(shè)計。

5 系統(tǒng)集成

5.1 系統(tǒng)集成說明與集成結(jié)果

系統(tǒng)集成就是將變頻傳感器節(jié)點、智能節(jié)點集成為智能節(jié)點系統(tǒng)，實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互，同時，智能節(jié)點系統(tǒng)與監(jiān)控平臺實現(xiàn)通信。系統(tǒng)集成關(guān)系圖略——編者注。

5.2 系統(tǒng)集成實現(xiàn)

5.2.1 數(shù)據(jù)集成

3部分的數(shù)據(jù)要有一定的標準要求，才能互相識別和通信。智能節(jié)點與監(jiān)控平臺之間的通信數(shù)據(jù)由Pipe協(xié)議定義，主要采用xml格式，如：注冊相關(guān)數(shù)據(jù)以＜GateProtocol＞為外層標簽，服務(wù)數(shù)據(jù)以＜DataFrame＞為外層標簽等。

5.2.2 通信集成

內(nèi)網(wǎng)——ZigBee局域網(wǎng)介紹如下：變頻傳感器節(jié)點與智能節(jié)點之間，分別使用ZigBee模塊，自動將數(shù)據(jù)打包成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包，建立ZigBee局域網(wǎng)，實現(xiàn)相互通信。

外網(wǎng)——Internet分布介紹略——編者注。

結(jié) 語

本文設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)不僅適用于對農(nóng)業(yè)、水體、大氣等自然環(huán)境的監(jiān)控，而且適用于對特定人群的特定屬性進行監(jiān)控，如在某一區(qū)域內(nèi)，老人身體健康指標的監(jiān)測及預(yù)警等。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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