物聯網中的嵌入式中轉節點設計與實現

王虎

摘 要： 基于RFID環境監測物聯網嵌入式傳感器中轉節點未考慮中轉節點任務的合理分配問題，節點能量供應容易受到環境的干擾，導致采集的環境監測信息精確度較低，故設計新的環境監測物聯網嵌入式傳感器中轉節點。采用傳感器模塊對中轉節點數據進行采集和A/D轉換等操作；通過MSP430F1611芯片的處理器模塊，合理分配中轉節點中的工作任務；通過無線傳輸模塊完成中轉節點數據的接收和傳輸，采用核心是LM1117芯片的能量供應模塊為其他模塊的運轉提供能量支持。軟件部分實現了中轉節點數據采集、數據處理、數據包發送以及接收指令的工作過程。實驗結果表明，設計的嵌入式中轉節點對環境監測信息采集精度高、功耗低。

關鍵詞： 物聯網； 嵌入式傳感器； 中轉節點； 處理器模塊； 無線傳輸模塊； 能量供應模塊

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、通信技術以及消費產品技術的快速發展，物聯網技術應用日益廣泛[1]。相關研究領域的專家將物聯網技術應用在環境信息監測中，物聯網主要包括感知層、網絡層以及應用層[2]。環境監測數據采集主要依賴于感知層功能的發揮，感知層主要由一些具備數據感知功能、通信功能的傳感器中轉節點構成。因此設計高質量的嵌入式傳感器中轉節點至關重要，對于環境監測信息的獲取具有重要意義。傳統基于RFID環境監測物聯網嵌入式傳感器中轉節點，未考慮中轉節點任務的合理分配問題，節點能量供應容易受到環境的干擾，導致采集的環境監測信息精確度較低。本文設計新的環境監測物聯網嵌入式傳感器中轉節點，從硬件部分與軟件部分描述中轉節點的功能與工作過程，對環境監測信息進行準確采集，為環境監測提供關鍵性技術支持，具有較高的實際應用價值。

1 物聯網中的嵌入式中轉節點設計與實現

1.1 環境監測物聯網感知層結構

傳感器中轉節點、匯聚節點、上位機共同構成環境監測物聯網的感知層，本文對其中的傳感器中轉節點進行設計[3]。傳感器中轉節點無規律地分布在環境被監測區域內獲取環境監測信息，經過中轉節點的處理將獲取的數據信息輸送到匯聚節點；接收傳感器中轉節點發送的數據信息、轉發上位機的指令是匯聚節點的主要職責；接收匯聚節點發送的數據信息實施預處理以及向匯聚節點發送指令是上位機的主要功能。

1.2 物聯網中嵌入式傳感器中轉節點硬件設計

嵌入式傳感器中轉節點的硬件部分由能量供應模塊、傳感器模塊、無線傳輸模塊以及處理器模塊共同構成詳細的硬件結構如圖1所示。

由圖1知：能量供應模塊是傳感器中轉節點不同構成部分的能量來源，為中轉節點的運轉提供能量支持；嵌入式傳感器中轉節點數據的處理、加工、過濾、A/D轉換等操作都是通過傳感器模塊實現[4]；中轉點工作任務的合理分配與設備的操作依賴于處理器模塊功能的發揮；嵌入式傳感器中轉節點數據的接收與傳輸通過無線傳輸模塊實現。

1.2.1 處理器模塊設計

本文設計的嵌入式傳感器中轉節點處理器模塊為MSP430F1611芯片，來自TI公司生產的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勢。處理器模塊采用12位的模/數轉換器，其速率上限為200 kbit·s-1。該處理器模塊的節能功能極其強大，節省了大量節點能量消耗[5]。

1.2.2 無線傳輸模塊設計

嵌入式傳感器中轉節點正常工作的運行需要性能優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，本文設計的嵌入式傳感器中轉節點采用2.4 GHz ZigBee短距離無線傳輸技術，具有構建高質量、高難度網絡結構的能力[6]。將TI公司研發的CC2530F256芯片應用在文章設計的中轉節點中，同時運行ZigBee2007/PRO協議，協調器自動向節點發送地址的操作可通過上電自動組網來實現。

1.2.3 傳感器模塊設計

感知電路與信號電路共同構成傳感器模塊，嵌入式傳感器中轉節點的數據采集功能主要通過傳感器模塊實現。其中感知電路的數據感知功能主要是對溫度、濕度、氣體等數據的獲取，發揮積分電路、放大電路的功能實現數據的預處理，并對其實施凈化操作，采用A/D模/數轉換器將處理后的數據信息轉化成數字信號，根據中轉節點的需求進行傳輸[7]。

由于環境監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、水環境的相關數據可通過普通的溫濕度傳感器進行獲取，而氣體相關數據需要采用氣體傳感器進行監測。能量支持存在限制、處理能力弱，是嵌入式傳感器中轉節點的缺點，且嵌入式傳感器中轉節點體積必須小巧[8]。基于這些因素，嵌入式傳感器中轉節點的研發受到極大限制。

1.2.4 能量供應模塊設計

電池供電是嵌入式傳感器中轉節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模塊的電源電路圖。

由圖2可知，能量供應模塊的調壓器是LM1117芯片，掌握電流的動向、使電流不被損壞是其優勢，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。電池產生的5～9 V經過降壓處理，輸出3.3 V電壓，嵌入式傳感器中轉節點的電量支持均來源于此。

1.3 中轉節點工作流程實現

匯聚節點將查詢與控制指令傳達給嵌入式傳感器中轉節點，由其進行數據采集與指令響應[9]。中轉節點的數據獲取呈周期性規律，定時器會在預先設置好的時間點停止數據采集，中轉節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描述了中轉節點的工作流程。由圖3知，中轉節點的硬件模塊與協議棧進行初始化，加入環境監測物聯網開始工作。當定時器中斷時，中轉節點開始進行數據采集、處理、發送等操作；若定時器未中斷，中轉節點進入接收指令狀態。

2 實驗分析

2.1 實驗設置

為了驗證本文設計的環境監測物聯網中嵌入式傳感器中轉節點的性能，對采用該設計的智能環境監測系統進行性能測試，主要方式是監測H公寓的溫度、濕度、氣體環境，采集相關數據。將18個傳感器中轉節點均勻安置在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。

實驗主要從中轉節點的溫度采集精度和中轉節點的丟包率兩方面分析本文設計的中轉節點的性能，將獲取的實驗數據進行歸納制成圖表。

2.2 中轉節點性能分析

2.2.1 中轉節點的溫度采集精度實驗結果分析

將本文中轉節點與融合RFID傳感器中轉節點進行實驗對比。采用相同的實驗環境在12個時間點進行溫度數據采集。兩種中轉節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，本文中轉節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傳感器中轉節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，本文中轉節點采集的溫度值與真實溫度值趨于一致，且與融合RFID傳感器中轉節點相比精確度高。實驗結果表明，本文設計的中轉節點在溫度采集方面具有高精度的優勢。

2.2.2 中轉節點丟包率實驗結果分析

丟包率反映了中轉節點進行數據傳輸與接收的能力，將本文中轉節點與融合RFID傳感器中轉節點、基于ZigBee協議的傳感器中轉節點進行對比實驗，對CO2氣體進行數據采集與研究，進行10次數據采集實驗，計算每次實驗不同中轉節點的丟包率平均值，將其制成表2。

分析表2能夠看出，本文中轉節點采集空氣中CO2含量的丟包率均值為0.05%，為三種中轉節點中最低；融合RFID傳感器中轉節點采集空氣中CO2含量的丟包率均值為0.13%；基于ZigBee協議的傳感器中轉節點采集空氣中CO2含量的丟包率均值為0.13%，與融合RFID中轉節點的丟包率均值相同。綜合比較上述數據，本文設計的中轉節點獲取的丟包率遠遠低于其他兩種中轉節點。實驗結果表明，本文設計的中轉節點的數據采集能力強、誤差小。

3 結 論

本文從硬件與軟件兩部分對環境監測物聯網嵌入式傳感器中轉節點進行設計。實驗結果表明，本文設計的中轉節點具有數據采集精度高、丟包率低的優勢，為環境監測提供有效的技術支持，具有較高的實際應用價值。

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