嵌入式傳感器節點設計及其應用

侯慶志　熊繼軍

【摘要】 針對現有物聯網應用中傳感器節點的設計存在大量重復開發、擴展能力不強等不足，以高性能的STM32微處理器和uC/OS-II嵌入式實時操作系統為核心，采用Zigbee無線通信技術，設計了一種具有高擴展能力的通用嵌入式傳感器節點。該傳感器節點提供多樣化的傳感器和外擴功能接口，方便各種傳感器的連接和功能的擴展。在uC/OS-II嵌入式實時操作系統的支持下可快速搭建面向物聯網研究和應用的專用傳感器節點。實際應用測試表明，節點良好地實現了高性能、低功耗、高擴展能力和復用性的設計目標，為加快物聯網的開發和應用打下了良好的基礎。

【關鍵詞】 物聯網 通用性 高擴展能力 無線傳感器網絡

目前各機構在物聯網的研究和開發中相對獨立[1-2]，勢必造成傳感器節點的大量重復開發。它能夠根據具體的應用場合對軟硬件進行擴展或裁剪，從而快速搭建專用的傳感器節點。

一、通用嵌入式傳感器節點硬件平臺設計

1.1 傳感器節點功能模塊劃分

根據節點設計原則，將通用嵌入式傳感器節點的硬件平臺分為以下幾個模塊：（1）核心模塊。主要包括微處理器和外擴存儲芯片，負責傳感器數據的采集、處理和存儲。（2）傳感器和外擴功能接口模塊。提供多種數字傳感器以及模擬傳感器的通信接口、通用I/0口，方便傳感器和其他功能的擴展。（3）通信模塊。包括無線模塊和RS232接口，完成數據的無線發送、通過串口和上位機通信。（4）電源模塊。為節點工作提供電源。

1.2 核心模塊設計

（1）微處理器。微處理器是嵌入式傳感器節點工作的核心部件，不僅控制和管理節點的工作，也是各種功能擴展和實現的基礎。本節點設計采用ST公司的STM32F103微處理器。STM32F103基于針對低功耗和高性能應用的Cortex-M3內核，其時鐘頻率為72MHz，具備較強的數據處理能力；它具有豐富的外設接口，包括多個IIC、SPI接口以及USB、UART等接口電路，方便節點功能的擴展；集成12位A/D轉換器，不需要外接模數轉換芯片，降低了外圍電路的復雜程度。此外STM32F103有多種低功耗模式，并能夠通過實時時鐘喚醒工作，可以有效降低節點的功耗。

為降低節點的功耗，使用該模塊時注意兩個問題：（1）在不影響通信距離要求的前提下，盡可能降低發射功率；（2）發送完成后，將節能控制引腳、發送使能和發送數據引腳置為0，可以有效降低XBee-Pro模塊的功耗。

1.3 傳感器和外擴功能接口模塊

接口模塊主要用于為外接傳感器提供接口，接口和一個針對模擬傳感器應用的可編程增益放大器。目前還沒有標準的數字傳感器通信總線，不過有調查結果表明，SPI串行外圍接口和IIC總線被廣泛用于大多數類型的測量及傳感器中，具有一定的通用性。

可編程增益放大器主要用于對模擬傳感器的信號進行放大，采用可編程功能可選放大倍數，可以滿足不同的信號放大需求。該芯片采用美國微芯公司生產的MCP6S28芯片，它有8個可供選擇的增益，可在多個通道之間切換。該芯片的靈活性，簡化了模擬部分電路，滿足節點的通用設計。

二、節點應用測試

通用嵌入式傳感器節點已經在江蘇物聯網研究發展中心得到應用。應用結果表明，傳感器節點工作穩定可靠、擴展能力強，節點搭建方便。在應用中針對節點的功耗做了測試，節點在多種工作狀態下的功耗如表1所示。

從以上分析可以得出，節點在數據發送和接收時功耗會較大，主要是無線收發模塊的功耗相對較高導致。由于節點采用低功耗模式和工作模式交替運行，每工作0.5分鐘，節點即進入低功耗模式，待機時間設置為10分鐘，所以節點的平均功耗得到有效降低，實現了低功耗的目的。

參 考 文 獻

[1] 陳德裕，張憲隸，顧曉濤. 物聯網下的嵌入式家居安全監控系統設計與實現[J]. 傳感器與微系統，2012，31（9）：105-109

[2] 李戰明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的環境監測無線傳感器網絡節點設計[J]. 電子測量技術，2010，33（6）：118-122

[3] HILLAND J，CULLER D. Mica： A wireless platform for deeply embedded networks[J]. IEEE Micro，2002，22（6）：12-24

[4] 陳安都，劉少強. 振動信號在線檢測的超低功耗無線傳感器節點設計[J]. 計算機工程與科學，2008，30（4）：95-97