張希洋+曹國(guó)強(qiáng)+梁峰+欒美娟

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式智能無(wú)線傳感器存在控制精度差、效率低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，提出對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問(wèn)和路由的具體方案并給出代碼描述，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的嵌入式智能無(wú)線傳感器。對(duì)傳感器的硬件部分進(jìn)行分析，給出軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步驟，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的方法解決了無(wú)線傳感器中異構(gòu)接口轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，提高了單片機(jī)控制的工作效率，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jìn)入21世紀(jì)，單片機(jī)以其高效、節(jié)能等特點(diǎn)[1]在各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，然而，在科技迅速發(fā)展的今天，單一的單片機(jī)應(yīng)用已經(jīng)不能更好地滿足工作需求。

無(wú)線傳感器與單片機(jī)結(jié)合具有非常廣闊的應(yīng)用前景，通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)嵌入計(jì)算機(jī)技術(shù)及與現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信融合[2]，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)，具有很高的潛在價(jià)值[3]。

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

為此，本文提出一種基于單片機(jī)控制的嵌入式智能無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出傳感節(jié)點(diǎn)之間組成的硬件需求，通過(guò)對(duì)WSN通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞控制過(guò)程中數(shù)據(jù)校驗(yàn)和通信數(shù)據(jù)命令的軟件實(shí)現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的方法提高了單片機(jī)控制的工作效率，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，信息節(jié)點(diǎn)和處理中心的SINK節(jié)點(diǎn)是核心關(guān)鍵組成部分。

1.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)小型的嵌入式系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)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(jìn)行區(qū)分。

1.1.1 節(jié)點(diǎn)組成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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(cè)的目標(biāo)、信號(hào)發(fā)生源和監(jiān)測(cè)精度等要求來(lái)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(diǎn)更具有一般性的特點(diǎn)。

（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(jìn)行二次處理，并且把節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)附加信息也加入到處理過(guò)程。另外，在進(jìn)行二次處理過(guò)程的同時(shí)，需要完成成幀、差錯(cuò)和校驗(yàn)等后加工處理，同時(shí)還包括其他關(guān)聯(lián)的調(diào)度與管理操作過(guò)程。

（3） 數(shù)據(jù)生成和處理部分，通過(guò)微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。最終數(shù)據(jù)在單片機(jī)的控制下進(jìn)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(hào)，并在相關(guān)協(xié)議指導(dǎo)下進(jìn)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(rèn)真對(duì)待，同時(shí)，能耗問(wèn)題也需要著重考慮。

數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所需控制的單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)以及工作動(dòng)態(tài)跟蹤，以便于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究[10?11] ，本文中采用軟件模擬方式獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，使節(jié)點(diǎn)更具一般性。

數(shù)據(jù)處理部分主要是針對(duì)產(chǎn)生的無(wú)線傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，對(duì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行附加，檢驗(yàn)和糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并對(duì)傳感信息進(jìn)行調(diào)度與管理。

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

1.1.2 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)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(yīng)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(yīng)性。需要具有支持ISP等系統(tǒng)編程的存儲(chǔ)裝置和E2PROM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。寫入速度必須達(dá)到32 B/頁(yè)。8 GB內(nèi)存8個(gè)。系統(tǒng)靜態(tài)操作時(shí)0～24 Hz，電源工作范圍為2.7～5.5 V。

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

1.2 SINK節(jié)點(diǎn)

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

SINK節(jié)點(diǎn)主要采用S3C44BOX速龍ARM7TDMI內(nèi)核，功耗較低，基本為靜態(tài)設(shè)計(jì)，適用于敏感應(yīng)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(diǎn)組成示意圖如圖2所示。

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

綜上所述，基于單片機(jī)控制的嵌入式智能無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)要在資源消耗有限的情況下，對(duì)無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)做出調(diào)整，進(jìn)行高效、低能耗地傳輸、處理數(shù)據(jù)。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理要求較大，對(duì)應(yīng)用的環(huán)境也有較高要求，此外，在嵌入式單片機(jī)控制過(guò)程中還要求系統(tǒng)反應(yīng)快，傳輸功率低。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要把握適應(yīng)性和高融合能力。

采用多項(xiàng)式編碼，利用生成多項(xiàng)的多個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)校驗(yàn)進(jìn)行編碼，編碼規(guī)則為：設(shè)有個(gè)數(shù)據(jù)，添加個(gè)校驗(yàn)位，用表示數(shù)據(jù)位，把進(jìn)行移動(dòng)，相當(dāng)于個(gè)校驗(yàn)位空出。即：

由式（4）可知，用除以得出多項(xiàng)式，商為余數(shù)為。由此可知：

在編碼過(guò)程中，采用模2進(jìn)行運(yùn)算，在不進(jìn)行借位的情況下，則有：

即為所求CRC碼，應(yīng)為的整數(shù)倍。在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，CRC編碼除以余數(shù)為0，說(shuō)明數(shù)據(jù)正確，否則為錯(cuò)誤。

其算法實(shí)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(guò)對(duì)CRC編碼，采用模2運(yùn)算，以一種空間轉(zhuǎn)換思想實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器的快速、高效求解和調(diào)度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制的嵌入式智能無(wú)線傳感器的性能優(yōu)劣。

（1） 測(cè)試用硬件環(huán)境

主機(jī)運(yùn)行核心處理器為：intelcoreTM i7 CPU 3.40 GHz；

主機(jī)運(yùn)行內(nèi)存：與主板兼容的華碩4.00 GB內(nèi)存條1個(gè)。

（2） 測(cè)試用軟件環(huán)境

計(jì)算機(jī)為Windows7專業(yè)版 64位操作系統(tǒng)；客戶端操作系統(tǒng)和服務(wù)端操作系統(tǒng)內(nèi)存均為1 GB，2個(gè)CPU。

由于本文主要是對(duì)嵌入式智能無(wú)線傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先對(duì)無(wú)線傳感器接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)圖3能夠發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間及無(wú)線數(shù)據(jù)量的不斷加大，嵌入式單片機(jī)接收數(shù)據(jù)的接收率隨之增大。

對(duì)無(wú)線傳感器抗干擾能力進(jìn)行測(cè)試，主要考慮單片機(jī)控制過(guò)程中對(duì)無(wú)線信號(hào)的檢驗(yàn)情況，如圖4所示。通過(guò)圖4能夠發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)20 min的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來(lái)看，數(shù)據(jù)信號(hào)較為平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)重大波動(dòng)，對(duì)數(shù)據(jù)接收能夠達(dá)到單片機(jī)控制的嵌入式標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了單片機(jī)控制的嵌入式智能無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)，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(diǎn)和處理中心的SINK節(jié)點(diǎn)組成。軟件設(shè)計(jì)部分主要采用多項(xiàng)式編碼。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文設(shè)計(jì)基本符合工作實(shí)際需求，具有較高的可靠性和抗干擾能力。

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