基于S3C2410的高精度傳感器節點嵌入式設計

黃志武+王曙霞

摘 要： 針對傳統傳感器節點嵌入方法存在成本較高的問題，提出一種基于S3C2410的高精度傳感器節點嵌入式設計方法，首先設計硬件平臺核心模塊以降低能耗，再對外擴展功能安裝可編程放大器，滿足不同型號信號的放大需求。在此基礎上，結合硬件進行模塊設計，完成軟件的引擎RSSI定位，最終計算出目標傳感器的節點坐標。實驗結果證明，所提設計方法能夠有效提升傳感器的網絡通信能力，延長傳感器節點的使用壽命。

關鍵詞： S3C2410； 傳感器節點； 嵌入式設計方法； RSSI定位

中圖分類號： TN929?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0033?04

Embedded design of high?precision sensor node based on S3C2410

HUANG Zhiwu， WANG Shuxia

（School of Computer and Information Science， Hubei Engineering University， Xiaogan 432000， China）

Abstract： The traditional sensor node embedded method has high cost， so an embedded design method of high?precision sensor node based on S3C2410 is put forward. The kernel module of hardware platform was designed to reduce the energy consumption， and the programmable amplifier was installed for the external extended function to meet the amplification demand of different types of signals. On this basis， the sensor module was designed with hardware to accomplish the positioning of engine RSSI in software， and calculate the coordinate of the target sensor node finally. The experimental results show that the proposed design method can improve the communication ability of the sensor network effectively， and prolong the service life of the sensor node.

Keywords： S3C2410； sensor node； embedded design method； RSSI positioning

0 引 言

隨著設備應用的復雜化和多樣化，無線網絡傳感器的嵌入式操作系統成為主要支撐技術之一[1]。在無線傳網絡傳感器中，傳感器節點主要負責采集感知對象的信息[2?3]，對信息進行計算和存儲，以及傳感器節點之間的相互通信等，由此高精度傳感器節點的開發成為了主要研究對象。文獻[4?5]中設計的傳感器節點在電源儲存能量、快速通信能力以及計算和存儲能力等方面都十分有限，文獻[6]需要設計出符合硬件資源傳感器節點的操作系統，才能實現對傳感器節點硬件資源的有效管理，其節點設計過程繁瑣。文獻[7]有效縮短了開發無線傳感器網絡的周期，但其存儲空間較小。文獻[8]提出一種面向無線網絡應用的傳感器節點，可以根據具體的應用平臺對軟硬件進行裁剪，能夠快速建立專用的傳感器節點，但是該方法存在開發成本較高的問題。文獻[9]研究出一種實時傳感器操作系統。該系統主要應用于8～64位單機不同類型的傳感器節點系統。系統的實時性和可靠性較高，但穩定性較差，實際應用性不高。文獻[10]通過分析節點誤差設計無線網絡傳感器節點，采用諧波分析法確定誤差的主要頻率次數，有針對性的設計了無線傳感器網絡間隔特定角度的探測頭結構，探測頭值間采用的是數字相加的數據處理方式，其測量準確度較低。

針對上述問題，結合傳感器節點自身的特點，提出硬件設計結合軟件定位方法的高精度傳感器節點嵌入式設計。首先設計傳感器模塊并控制模塊能耗，在外部擴展功能接口放置一個編程放大器，可滿足不同型號傳感器的信號放大需求，再利用軟件基于RSSI定位算法進行嵌入式傳感器節點定位。通過該方法可以對S3C2410進行高精度傳感器節點嵌入式設計。

1 S3C2410高精度傳感器節點嵌入式設計

1.1 嵌入式傳感器節點的硬件平臺設計

依據節點設計原則，將應用傳感器節點硬件平臺分為如下四個模塊：

（1） 傳感器核心模塊。主要包括處理器和外存儲芯片，主要負責對傳感器數據進行信息采集、處理以及儲存。

（2） 傳感器節點和外擴展功能接口模塊。主要提供多種傳感器和模擬式傳感器通信接口，能方便傳感器節點以及其他功能擴展。

（3） 傳感器通信模塊。主要包括無線網絡模塊和接口，由此完成數據的無線發送。

（4） 傳感器電源模塊，傳感器節點工作室提供電源，傳感器節點硬件結構如圖1所示。

1.1.1 核心模塊設計

（1） 處理器

處理器是傳感器節點工作時的核心零部件，不僅能控制節點，還是擴展和實現各種功能的基礎。該節點設計應用三星公司的S3C2410處理器。對于高性能以及低功耗應用內核，S3C2410頻率為64 MHz，具有較強的數據處理能力，它有豐富的外接口，內含多個SPI接口和USB接口，方便傳感器節點擴展功能；同時，具有12位轉換器，不需要再外接轉換芯片，減小了外圍電路的復雜程度。此外，S3C2410具有多種低功耗模式，可利用實時時鐘進行喚醒工作，有效降低了節點功耗。

（2） 傳感器無線收發模塊

傳感器無線收發模塊采用DIGI公司的XBee模塊，此模塊工作于ISM 2.6 GHz頻段，該數據傳輸速度高達260 KB/s，內部存有兼容協議，能夠滿足低功耗和低成本的無線傳感器需求，傳感器通信距離遠，室外可達2 000 m，模塊合成度高，開發和使用都很便利。XBee模塊工作時的電壓為2.7～3.3 V，利用串口和S3C2410進行通信，XBee模塊與處理器的接口如圖2所示。

為了降低傳感器節點的功耗，使用該模塊時需要注意兩個問題：一是在不受通信距離影響的情況下，盡可能降低發射功率；二是在發射完成后，把節能控制引腳和發送數據引腳設置為0，這樣能夠有效降低XBee模塊的功耗。

1.1.2 傳感器和外擴展功能接口模塊

接口模塊主要對外接傳感器提供接口，此接口具有一個針對傳感器應用的可編程放大器。目前還沒有準確的通信總線應用于這個模塊上，但調查結果顯示，SPI外圍接口和HC總線能廣泛應用于大多數測量傳感器中，具有一定的實用性。因此，接口的引腳包括傳感器電源接口、傳感器節點數字接口、傳感器模擬接口、HC接口、SPI接口和模擬信號接口各一個，其他為可配置的通用口，圖3為SPI和HC接口同傳感器連接的示意圖。

可編程放大器主要對模擬傳感器信號進行放大，可以選擇可編程功能進行倍數放大，能夠滿足不同信號的放大需求。該芯片采用韓國微芯公司生產的S3C2410芯片，有8個可選擇的增益能在多個通道之間進行切換，該芯片具有足夠的靈活性，能夠簡化部分模擬電路，滿足嵌入式網絡傳感器節點的設計要求。

1.2 傳感器節點的定位方法

在無線網絡傳感器節點中，已知傳感器節點的周期性目標節點發射信號，傳感器目標節點依次對接收信號采樣后進行存儲。S3C2410集成了硬件定位引擎，能夠實現準確定位，利用硬件對移動傳感器網絡節點的坐標進行計算，因此降低了能耗。S3C2410嵌入的定位引擎采用基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）的定位方法。等獲得足夠數量的傳感器節點信息后，通過該定位算法計算目標傳感器節點中的坐標。

傳感器網絡節點依據其他傳感器網絡節點位置信息，利用式（1）得出傳感器節點：

[Hopsize=（xi-xj）2+（yi-yj）2HopSij] （1）

傳感器網絡節點將均勻分布在整個網絡，未知的節點記錄第一個節點，并向其他傳感器節點轉發。未知的節點接收到傳感器網絡節點，依據記錄的節點信息，按式（2）得出未知節點到其他節點之間的距離：

[Li=Si×Hopsize] （2）

假設待定位節點與傳感器節點間的距離為[dij]，那么每個傳感器節點之間的距離為待定位節點的距離向量，通過對節點進行采集，構造并求解最優化節點：

[Hopsize=min 12ω2+γ12i=1mξ2] （3）

當前傳感器節點可以用許多函數求解，函數具有參數通用性強等優點，具體定義為：

[K（RM，RN）=exp-RM，RN2σ22] （4）

通過引入未知節點[a]和[b]，將式（3）轉化為對偶問題，即：

[0I T1 Ω+γ-1Iba=0x] （5）

由此可得出[a]和[b]，則傳感器節點的函數為：

[x=i=1maiK（RI，RJ）+b] （6）

每個傳感器節點的距離為[D，]構成了距離向量，將其作為決策函數的輸入向量，可得未知節點[S]的坐標值，已知[S]的坐標值，則依據兩點之間的距離公式可得：

[（x-x1）2+（y-y1）2=d21（x-x2）2+（y-y2）2=d22 ?（x-xn）2+（y-yn）2=d2n] （7）

采用式（7）可將傳感器節點方程轉化為：

[2（x1-xn）x+2（y1-yn）y=x21-x2n+y21-y2n-d21+d2n2（x2-xn）x+2（y2-yn）y=x22-x2n+y22-y2n-d22+d2n] （8）

由式（8）可得線性傳感器節點的表達式為：

[AX=b]

其中：

[X=（x，y）τ]

[A=2（x1-xn） 2（y1-yn）2（x2-xn） 2（y2-yn）2（xn-1-xn） 2（yn-1-yn）] （9）

那么由未知傳感器節點[P（x，y）]的位置信息可得到解向量為[X=（ATA）-1ATb]，由上述結論可知，該節點定位方法應用于嵌入式S3C2410的高精度傳感器節點中可以取得明顯成果。

2 實驗結果與分析

2.1 傳感器網絡節點的能耗實驗

實驗設計：電壓為2 V，無線射頻為2.403 GHz，射頻功率為0 dBm。表1為傳感器節點在穩定情況下消耗電流的情況。

對比表1和表2測試實驗得到的數據能夠看出，本文提出的傳感器節點的能耗和其他幾種典型的傳感器節點相比，能耗相對較低。

傳感器網絡節點能量主要消耗在無線網絡通信上。鑒于S3C2410的射頻功率是可以編程的，減小了傳感器網絡節點的功率并降低了能耗。因而通過降低射頻功率，減少傳感器網絡節點間的傳輸次數，縮短傳感器網絡節點間的通信距離，不但能降低單個傳感器網絡節點的能耗，同時對于傳感器網絡節點來說，可以平衡傳感器網絡節點能耗。在路由選擇控制中優先使用能量剩余多的傳感器網絡節點，延長了無線網絡傳感器節點壽命。

2.2 對RSSI算法進行實驗結果分析

RSSI值（信號強度）主要反映接收無線信號強度與距離的關系，由此可以測量傳感器之間的距離。因為RSSI值容易受外界環境影響，不同環境的差別較大。如果想要正確的使用RSSI值，需要提前測出與RSSI值相關的參數。此外，傳感器網絡節點會因其他原因退出無線網絡，這時就能夠依據傳感器網絡節點間的RSSI值了解現有被監測區域的傳感器網絡節點覆蓋的區域情況，便于安排新的傳感器網絡節點加入到無線網絡中去，達到優化無線網絡傳感器節點功能的目的。

實驗環境：附近沒有障礙物的室外操場。

實驗設計：發射節點的射頻功率為0 dBm；隨時可以觀察到傳感器節點與發射節點間距離的變化，傳感器接收節點獲取的RSSI值也會隨之改變。圖4為傳感器接收節點獲取RSSI值的變化情況圖。圖5為傳感器接收節點的RSSI值與10lg[p]（[p]代表發射功率）的關系。

從圖4能夠看出，隨著發射節點和接收節點之間的距離越遠，RSSI值就越小。從圖5能夠看出RSSI值和發射功率之間存在線性關系，信號強度與發射功率成正相關關系，隨著發射功率的增加，接收到的RSSI值（信號強度）也隨之增加，且使用本文設計的高精度傳感器嵌入式節點，其實際測試得出的RSSI值與發射功率關系與理論變化曲線基本吻合，驗證了本文設計嵌入式節點的有效性。

綜上所述，一般傳感器網絡節點的通信距離為較大的網絡通信距離。在布置無線網絡傳感器時要注意測試較大的通信距離，不能盲目地去布置傳感器網絡的節點?？刂朴行У耐ㄐ啪嚯x對進行S3C2410的高精度傳感器節點進行嵌入式設計具有重要的意義。

3 結 論

本文研究了基于嵌入式傳感器節點芯片S3C2410的無線傳感器網絡的一些關鍵技術，具有重要的實踐意義。本文分析了嵌入式操作系統在傳感器節點中設計的必要性，并提出如何對高精度傳感器節點進行嵌入式設計，以此對S3C2410高精度傳感器節點進行定位實驗。實驗結果表明，本文提出的定位方法對S3C2410高精度傳感器節點的嵌入式設計具有重大意義。

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