王虎

摘 要： 基于RFID環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點未考慮中轉(zhuǎn)節(jié)點任務(wù)的合理分配問題，節(jié)點能量供應(yīng)容易受到環(huán)境的干擾，導(dǎo)致采集的環(huán)境監(jiān)測信息精確度較低，故設(shè)計新的環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點。采用傳感器模塊對中轉(zhuǎn)節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集和A/D轉(zhuǎn)換等操作；通過MSP430F1611芯片的處理器模塊，合理分配中轉(zhuǎn)節(jié)點中的工作任務(wù)；通過無線傳輸模塊完成中轉(zhuǎn)節(jié)點數(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轉(zhuǎn)提供能量支持。軟件部分實現(xiàn)了中轉(zhuǎn)節(jié)點數(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程。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的嵌入式中轉(zhuǎn)節(jié)點對環(huán)境監(jiān)測信息采集精度高、功耗低。

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

中圖分類號： TN711?34； TN925.93 文獻標識碼： A 文章編號： 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

伴隨計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及消費產(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)點構(gòu)成。因此設(shè)計高質(zhì)量的嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點至關(guān)重要，對于環(huán)境監(jiān)測信息的獲取具有重要意義。傳統(tǒng)基于RFID環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點，未考慮中轉(zhuǎn)節(jié)點任務(wù)的合理分配問題，節(jié)點能量供應(yīng)容易受到環(huán)境的干擾，導(dǎo)致采集的環(huán)境監(jiān)測信息精確度較低。本文設(shè)計新的環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點，從硬件部分與軟件部分描述中轉(zhuǎn)節(jié)點的功能與工作過程，對環(huán)境監(jiān)測信息進行準確采集，為環(huán)境監(jiān)測提供關(guān)鍵性技術(shù)支持，具有較高的實際應(yīng)用價值。

1 物聯(lián)網(wǎng)中的嵌入式中轉(zhuǎn)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

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

傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點、匯聚節(jié)點、上位機共同構(gòu)成環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的感知層，本文對其中的傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點進行設(shè)計[3]。傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點無規(guī)律地分布在環(huán)境被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)獲取環(huán)境監(jiān)測信息，經(jīng)過中轉(zhuǎn)節(jié)點的處理將獲取的數(shù)據(jù)信息輸送到匯聚節(jié)點；接收傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息、轉(zhuǎn)發(fā)上位機的指令是匯聚節(jié)點的主要職責；接收匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息實施預(yù)處理以及向匯聚節(jié)點發(fā)送指令是上位機的主要功能。

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

嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點的硬件部分由能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊、無線傳輸模塊以及處理器模塊共同構(gòu)成詳細的硬件結(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)點不同構(gòu)成部分的能量來源，為中轉(zhuǎn)節(jié)點的運轉(zhuǎn)提供能量支持；嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點數(shù)據(jù)的處理、加工、過濾、A/D轉(zhuǎn)換等操作都是通過傳感器模塊實現(xiàn)[4]；中轉(zhuǎn)點工作任務(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)點數(shù)據(jù)的接收與傳輸通過無線傳輸模塊實現(xiàn)。

1.2.1 處理器模塊設(shè)計

本文設(shè)計的嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點處理器模塊為MSP430F1611芯片，來自TI公司生產(chǎn)的MSP430系列。該芯片包含的信號電路齊全，且具有功率消耗低的優(yōu)勢。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)能功能極其強大，節(jié)省了大量節(jié)點能量消耗[5]。

1.2.2 無線傳輸模塊設(shè)計

嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點正常工作的運行需要性能優(yōu)秀的無線傳輸模塊為支撐。為了提高抗干擾能力、擴大使用范圍，本文設(shè)計的嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點采用2.4 GHz ZigBee短距離無線傳輸技術(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)計的中轉(zhuǎn)節(jié)點中，同時運行ZigBee2007/PRO協(xié)議，協(xié)調(diào)器自動向節(jié)點發(fā)送地址的操作可通過上電自動組網(wǎng)來實現(xiàn)。

1.2.3 傳感器模塊設(shè)計

感知電路與信號電路共同構(gòu)成傳感器模塊，嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能主要通過傳感器模塊實現(xiàn)。其中感知電路的數(shù)據(jù)感知功能主要是對溫度、濕度、氣體等數(shù)據(jù)的獲取，發(fā)揮積分電路、放大電路的功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并對其實施凈化操作，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，根據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點的需求進行傳輸[7]。

由于環(huán)境監(jiān)測傳感器的種類繁多，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)可通過普通的溫濕度傳感器進行獲取，而氣體相關(guān)數(shù)據(jù)需要采用氣體傳感器進行監(jiān)測。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)點的缺點，且嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點體積必須小巧[8]?；谶@些因素，嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點的研發(fā)受到極大限制。

1.2.4 能量供應(yīng)模塊設(shè)計

電池供電是嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點不同組成部分的主要能量提供方式。圖2詳細描述了能量供應(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，掌握電流的動向、使電流不被損壞是其優(yōu)勢，1.8 V，2.5 V，2.85 V以及3.3 V的不變電壓輸出均來自LM1117芯片。電池產(chǎn)生的5～9 V經(jīng)過降壓處理，輸出3.3 V電壓，嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點的電量支持均來源于此。

1.3 中轉(zhuǎn)節(jié)點工作流程實現(xiàn)

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

2 實驗分析

2.1 實驗設(shè)置

為了驗證本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點的性能，對采用該設(shè)計的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行性能測試，主要方式是監(jiān)測H公寓的溫度、濕度、氣體環(huán)境，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。將18個傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點均勻安置在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。

實驗主要從中轉(zhuǎn)節(jié)點的溫度采集精度和中轉(zhuǎn)節(jié)點的丟包率兩方面分析本文設(shè)計的中轉(zhuǎn)節(jié)點的性能，將獲取的實驗數(shù)據(jù)進行歸納制成圖表。

2.2 中轉(zhuǎn)節(jié)點性能分析

2.2.1 中轉(zhuǎn)節(jié)點的溫度采集精度實驗結(jié)果分析

將本文中轉(zhuǎn)節(jié)點與融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點進行實驗對比。采用相同的實驗環(huán)境在12個時間點進行溫度數(shù)據(jù)采集。兩種中轉(zhuǎn)節(jié)點獲取的溫度值以及真實的溫度值如表1所示。

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

2.2.2 中轉(zhuǎn)節(jié)點丟包率實驗結(jié)果分析

丟包率反映了中轉(zhuǎn)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸與接收的能力，將本文中轉(zhuǎn)節(jié)點與融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點、基于ZigBee協(xié)議的傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點進行對比實驗，對CO2氣體進行數(shù)據(jù)采集與研究，進行10次數(shù)據(jù)采集實驗，計算每次實驗不同中轉(zhuǎn)節(jié)點的丟包率平均值，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)點中最低；融合RFID傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點采集空氣中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)點的丟包率均值相同。綜合比較上述數(shù)據(jù)，本文設(shè)計的中轉(zhuǎn)節(jié)點獲取的丟包率遠遠低于其他兩種中轉(zhuǎn)節(jié)點。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的中轉(zhuǎn)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集能力強、誤差小。

3 結(jié) 論

本文從硬件與軟件兩部分對環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器中轉(zhuǎn)節(jié)點進行設(shè)計。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的中轉(zhuǎn)節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集精度高、丟包率低的優(yōu)勢，為環(huán)境監(jiān)測提供有效的技術(shù)支持，具有較高的實際應(yīng)用價值。

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