鄭子超，李永紅，岳鳳英，李玲

（中北大學(xué)，山西太原 030051）

由于布線困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，傳統(tǒng)的有線測(cè)控系統(tǒng)往往不能滿足各種長(zhǎng)短期環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需要[1]。作為一種新的信息采集和處理技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[2]。但人員和大型設(shè)備常常難以到達(dá)危險(xiǎn)且緊急情況的地點(diǎn)[3]，且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)，使得環(huán)境信息采集任務(wù)難以完成。使用ZigBee 主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，既能保證數(shù)據(jù)的完整性，又能接入多個(gè)端口，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)；使用基于TrueTime的主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink 聯(lián)合仿真工具，可以研究網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲對(duì)控制性能的影響，也可以用動(dòng)態(tài)調(diào)度方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。然而，這兩種方法都存在問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)的，傳感器節(jié)點(diǎn)部署好之后，它們就靜止了。由于數(shù)據(jù)匯聚，基站常常被固定下來。傳感器節(jié)點(diǎn)與基站之間缺乏一定的靈活性，因此無法根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)的區(qū)域分布，也就無法保證系統(tǒng)的控制精度。為此，提出了基于電子技術(shù)的主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，使用電子技術(shù)利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可控制主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層，傳輸層為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器。感知層主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，具有探測(cè)和短程通信功能[4-6]。傳感網(wǎng)絡(luò)由各種數(shù)據(jù)采集裝置、傳感器設(shè)備節(jié)點(diǎn)等組成，各種傳感器模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集裝置；傳輸層實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信和網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)[7-9]。應(yīng)用層采集的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸，并且實(shí)現(xiàn)了與以太網(wǎng)的結(jié)合[10-12]。該層根據(jù)處理過的數(shù)據(jù)和信息為用戶提供應(yīng)用和服務(wù)，對(duì)各種通信設(shè)備的信息進(jìn)行處理和控制[13]。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 協(xié)調(diào)器模塊

協(xié)調(diào)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(tǒng)終端將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器中，協(xié)調(diào)器對(duì)其進(jìn)行處理，并通過串口向主機(jī)發(fā)送處理數(shù)據(jù)[14]。該芯片的運(yùn)行電壓為2～3.5 V，輸出功率的絕對(duì)值為4.5 dBm，具有8個(gè)ADC信道，每個(gè)信道的分辨率為13位。片中RAM 為6 kB，包括了系統(tǒng)內(nèi)部模塊的通信棧[15]。FLASH 芯片大小為256 kB。其中有多個(gè)用于傳輸?shù)亩丝?，支持并行傳輸工作。調(diào)整器安裝了復(fù)位裝置，用于防止芯片的電壓過高導(dǎo)致其損壞的現(xiàn)象。

1.2 通信協(xié)議棧

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要建立與物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議堆疊，以此實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的傳輸，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議棧

由圖2 可知，芯片接收各傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端模塊的檢測(cè)。依據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，輸出指令。構(gòu)建通信協(xié)議棧，連接CC2530 芯片與電平轉(zhuǎn)換芯片RS232，并將電壓控制為工作額定電壓[16]。協(xié)調(diào)器打包處理過的數(shù)據(jù)與I/O 接口連接，以1～6 Mb/s的波特率實(shí)現(xiàn)PC 終端與協(xié)調(diào)器模塊的通信。USB 串口通信參數(shù)設(shè)置為8 位，以保證系統(tǒng)的通信功能正常。

1.3 外圍擴(kuò)展模塊

在外圍擴(kuò)展模塊電路中，網(wǎng)絡(luò)模塊采用DM9000AEP芯片，傳輸協(xié)議為802.3。選擇LC5740的5G 模塊來實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)功能，完成與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊和處理器之間是SPI 接口。使用MCP2515 芯片和SN65HVD230D 分別實(shí)現(xiàn)了從SPI格式到CAN 總線格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。RS485 與處理器的接口是UART 接口，使用SN65HVD11D 芯片實(shí)現(xiàn)UART 接口到RS485 總線級(jí)的轉(zhuǎn)換。除ARM 核心處理器和擴(kuò)展模塊外，還應(yīng)配置外圍擴(kuò)展模塊，保證系統(tǒng)能夠正常工作。外圍擴(kuò)展模塊如圖3所示。

圖3 外圍擴(kuò)展模塊

1.4 無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)置

無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

由圖4 可知，無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由電源模塊、傳感器單元、通信處理單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。通信處理單元的數(shù)據(jù)通過接口傳送，由主控單片機(jī)處理存儲(chǔ)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元的主單片機(jī)根據(jù)基站發(fā)送的指令將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，也可請(qǐng)求協(xié)單片機(jī)完成相應(yīng)的任務(wù)。該結(jié)構(gòu)清晰，層次明確，維護(hù)方便，可適應(yīng)各種環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。

圖4 無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.5 控制環(huán)結(jié)構(gòu)

主動(dòng)式傳感器與控制器、控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用無線連接的方式，構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)控制環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 控制環(huán)結(jié)構(gòu)

由圖5 可知，控制節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行/傳感節(jié)點(diǎn)分別是電子技術(shù)內(nèi)核模塊和電子技術(shù)電池模塊。定期通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集過程中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)可以是事件驅(qū)動(dòng)的，也可以是時(shí)間驅(qū)動(dòng)的，計(jì)算系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，并將結(jié)果返回給事件驅(qū)動(dòng)或時(shí)間驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，控制信號(hào)傳輸速度。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的軟件是以硬件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)控中心的連接。借助電子技術(shù)中的模擬技術(shù)，確定模糊規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)所有程序的統(tǒng)一管理。

2.1 基于模擬電子技術(shù)的模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

依據(jù)主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)規(guī)則，使用電子技術(shù)中的模擬電子技術(shù)，輸出模糊規(guī)則，并將規(guī)則數(shù)據(jù)庫的輸入數(shù)據(jù)模糊化，以此產(chǎn)生模糊規(guī)則矩陣：

式（1）中，wq×n表示模糊規(guī)則實(shí)施前矩陣；wqn表示規(guī)則模糊數(shù)，q為模糊規(guī)則的數(shù)量，規(guī)則庫中的系數(shù)矩陣計(jì)算公式如下所示：

式（2）中，Kqn表示矩陣生成的規(guī)則系數(shù)。若模糊化輸入向量，則會(huì)產(chǎn)生判定向量e，根據(jù)式（3）計(jì)算向量的隸屬度，以此決定是否對(duì)其進(jìn)行控制。

若需要對(duì)其進(jìn)行控制，則依據(jù)隸屬度大小，通過向?qū)?yīng)的傳感器傳輸工作指令，對(duì)其進(jìn)行控制。

2.2 控制流程設(shè)計(jì)

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(yīng)的功能，使主功能進(jìn)入無限循環(huán)，控制流程如圖6 所示。

圖6 控制流程設(shè)計(jì)

由圖6 可知，首先打開和初始化各個(gè)通信裝置。在初始化之后，等待服務(wù)器發(fā)送一個(gè)命令。當(dāng)命令出現(xiàn)時(shí)，讀取命令代碼和命令長(zhǎng)度，根據(jù)命令的長(zhǎng)度來接收命令內(nèi)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(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3 個(gè)層次，分別是感知層、傳送層和應(yīng)用層。感知層具備檢測(cè)功能，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)通常在傳送層工作，具備遠(yuǎn)程通信及網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)功能。應(yīng)用層需根據(jù)處理的數(shù)據(jù)為用戶提供服務(wù)，處理多種通信設(shè)備信息。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

使用lntelCorei7-9700K型號(hào)的CPU，其具有3.6 GHz內(nèi)存，能夠高效處理指令，用500 GB 硬盤存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)。利用64 GB 硬盤，暫存實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。在NVIDIA RTX 2060 顯卡中，通過驅(qū)動(dòng)顯示界面，使用Windows8.1 操作系統(tǒng)，能夠輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用基于ZigBee的主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)、基于TrueTime的主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)和基于電子技術(shù)控制系統(tǒng)，對(duì)比分析系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，如圖7 所示。

圖7 3種系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)比分析

使用基于ZigBee 主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)最長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間為2.7 s，使用基于TrueTime 主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)最長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間為2.4 s，使用基于電子技術(shù)控制系統(tǒng)最長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間為0.6 s，由此可知，使用基于電子技術(shù)控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間較短，能夠快速作出反應(yīng)。

使用3 種系統(tǒng)，對(duì)比分析電壓控制效果，如圖8所示。

圖8 3種系統(tǒng)電壓控制效果對(duì)比分析

由圖8 可知，使用基于ZigBee 主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)超調(diào)量大，輸出電壓在0.75～1.50 V 范圍內(nèi)變化；使用基于TrueTime 主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，輸出電壓在0.75～1.25 V 范圍內(nèi)變化；使用基于電子技術(shù)控制系統(tǒng)，超調(diào)量小，輸出電壓在0.95～1.05 V 范圍內(nèi)變化，與實(shí)際的1.0 V 電壓相差最小。由此可知，使用基于電子技術(shù)控制系統(tǒng)電壓控制結(jié)果較為精準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的基于電子技術(shù)的主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)式傳感器物聯(lián)網(wǎng)不同數(shù)據(jù)間的交互與傳輸，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)經(jīng)過模糊處理后，控制效果更精準(zhǔn)，同時(shí)也證實(shí)了該系統(tǒng)具有良好的性能。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，利用該系統(tǒng)高效獲取物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)穩(wěn)定、快速傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。