嵌入式智能傳感器系統設計與實現

申玉玲

（山西工程職業學院 山西 太原 030000）

1 引言

計算機技術作為技術發展的核心，在計算機技術支撐下出現了嵌入式系統，因其串聯能力強，控制靈活，且具有智能化和互聯性，因而被廣泛應用在諸多領域中[1-2]。傳感器是嵌入式系統中的關鍵，在監測區域部署多個微型傳感器，通過節點連接組成傳感器網絡，對監測區域的對象信息進行采集和處理，經無線通信方式發送給觀察者，便于處理[3]。

2 嵌入式傳感器系統特點

嵌入式系統支持多任務同時進行，中斷響應時間短，具有強大的存儲保護功能，可擴展性強，能擴展出所需的多個功能。傳感器本身可以實現通信協議，直接連接Internet，不需要額外的通信處理機，能實現全分布式測控網絡，簡化系統結構，提高系統的可靠性，便于維護[4-5]。現場信號的實時發布和共享可以通過傳感器節點來實現，網絡授權用戶可以通過瀏覽器進行瀏覽，還可以根據現場的實際情況進行在線控制和編程，實現嵌入式智能傳感器系統的智能化和遠程操作[6]。

3 系統硬件設計

對嵌入式傳感器系統進行硬件結構設計，硬件結構圖見圖1，主要包括微處理模塊、外擴功能接口模塊和智能通信模塊，其中微處理模塊負責對數據進行采集、處理和存儲[7]；外擴功能接口模塊為傳感器提供通信接口，便于功能擴展；智能通信模塊主要是通過串口與上位機進行通信，實現對數據的無線接收和發送[8]。

圖1 系統硬件結構圖

3.1 微處理模塊

嵌入式傳感器系統的核心部件是微處理器，包括外擴存儲器和無線收發模塊[9]。外擴存儲器采用STM32F103作為微處理器，有較強的數據處理能力，應用低功耗和高性能的Cortex-M3內核[10]，時鐘頻率為72 MHz，同時有多個外設接口和接口電路，便于進行功能擴展，采用12位集成A/D轉換器，不需要使用外接模數轉換芯片，可有效降低外圍電路的復雜性，通過時鐘喚醒功能，降低傳感器節點的功耗。無線收發模塊采用XBee-Pro模塊，數據傳輸效率為250 kbps，工作電壓為3.4 V，集成度高，使用方便，采用UART串口與微處理器通信。為了降低節點的功耗，在通信范圍內，將發射功率降到最低，在發送完后，將發送數據和控制引腳設為0，降低收發模塊功耗。

3.2 外擴功能接口模塊

接口模塊是為外接的傳感器提供接口，有2×15針接口和可編程增益放大器。目前廣泛使用的有SPI串行外圍接口和IIC總線接口，接口引腳包括電源接口、數字和模擬地接口、SPI接口、IIC接口、模擬信號接口以及I/O接口。可編程增益放大器是依靠可編程功能[11]，對傳感器模擬信號按倍數進行放大，以滿足不同的信號放大要求，采用MCP6S28芯片，提供8個可供選擇的增益，在多個通道中來回切換，這樣可以簡化電路模擬部分，省去多余重復的節點[12]。

3.3 智能通信模塊

智能通信模塊中，起主要作用的是射頻收發器，作為通信模塊的核心元件，采用CC2420射頻收發器，其電路圖見圖2[13]。在接收到微處理器傳來的電壓和電流信號后，采用振蕩器對信號進行放大，處理后得到射頻信號，進一步進行變頻、過濾、轉換、信號增益和縮小等操作，得到最終的電壓和電流信號。CC2420射頻收發器的功能強大，信號傳輸速率為250 kb/s，可以保證系統的控制效率，能達到降低能耗的目的。

圖2 射頻收發器電路圖

4 系統軟件設計

嵌入式傳感器系統的信號采集流程見圖3。

圖3 終端信號采集流程圖

在采集傳感器節點信號時，嵌入式系統中各模塊電路的計時器也同步開始工作，將計時器測量的數據與采集到的信號一并進行信號處理，最終傳輸到終端。終端在收到信號后，對信號進行分析和控制，如果終端沒有收到信號，或是信號沒有經過處理，則信號會原路傳回傳感器網絡，進行再次處理后發送給終端[14]。

嵌入式系統在不采集傳感器節點信號時，微處理器模塊處于休眠，不產生能量消耗。為了確保系統不間斷持續工作，給系統配備叫醒功能。在微處理器模塊休眠時，如果有傳感器節點信號更新，叫醒功能會啟動，自動將微處理器模塊調到正常狀態[15]。

5 性能測試

為了驗證嵌入式傳感器系統的性能，在某配電室進行實驗，對各個傳感器節點的功耗進行測試，得到不同工作狀態下節點的功耗見表1。

表1 功耗分析

從表1可以看出，各個傳感器節點在進行數據接收和發送的過程中會產生大量的功耗，這是由于無線收發模塊自身功耗較大造成的。在采用低功耗和工作模式相互交替后，每工作0.5 min，傳感器節點進入一次低功耗，待機10 min，這樣降低了節點的平均功耗，達到低功耗的目的，實現系統強擴展性、高便捷性、低功耗性[16]。

6 結論

針對現有的傳感器系統中節點大量重復、能耗高、擴展能力差等問題，設計一種嵌入式智能傳感器系統，結果如下。

（1）硬件結構采用高性能STM32F103微處理器和強擴展性CC2420射頻收發器，軟件系統中配套叫醒功能，自動進行調節，降低系統功耗。

（2）通過在某配電室中應用，對各個傳感器節點的功耗進行測試，結果表明：在采用低功耗和工作模式相互交替后，降低了節點的平均功耗，達到低功耗的目的。