基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無線傳感裝置的設(shè)計(jì)

引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展完善，已經(jīng)成為人們工作及生活中必不可少的技術(shù)之一。一些智能物聯(lián)網(wǎng)裝置已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、物流、安防、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。但現(xiàn)存應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)裝置大都針對具體的應(yīng)用場所開發(fā)設(shè)計(jì)，還有一些關(guān)鍵的技術(shù)問題尚未突破，從而限制了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。其中，亟待解決的共性問題如下 [1]。

(1) 應(yīng)變力較差 ：目前的物聯(lián)網(wǎng)裝置大多針對某個(gè)具體的應(yīng)用場景進(jìn)行定制開發(fā)與部署，缺乏共性解決方案，而且大多數(shù)裝置采用有線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，很大程度上影響了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的兼容性與適應(yīng)性。

(2) 信息融合度不高：傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，由于傳感技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性，不同傳感器收集到的數(shù)據(jù)整合和預(yù)處理是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中的一個(gè)難題。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：目前存在的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)大多是行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)或傳輸層標(biāo)準(zhǔn)，而關(guān)于應(yīng)用層與感知層的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)卻還未建立，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)裝置或系統(tǒng)間的信息交流比較困難， 因此要把現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行融合，建立一個(gè)權(quán)威的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)是一大挑戰(zhàn)。

針對以上不足，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無線傳感裝置，介紹了堆疊式傳感器模塊與基板的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)還對傳感器模塊間、傳感器模塊與基板間的數(shù)據(jù)鏈路接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定了傳感器節(jié)點(diǎn)間互相交換信息的自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，從而為各領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了共性解決方案。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的堆疊式可重構(gòu)無線傳感裝置主要由傳感器模塊和基板模塊組成，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示。該裝置根據(jù)不同傳感量的采集需求，將相應(yīng)傳感器模塊通過堆疊的方式安裝在基板模塊上。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集傳感量數(shù)據(jù)，并通過I2C 總線通信方式將采集到的傳感量數(shù)據(jù)傳輸至基板模塊 ；基板模塊按照自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，對接收到的各種傳感量數(shù)據(jù)打包，同時(shí)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，進(jìn)而傳輸至上位機(jī)控制中心 ；多個(gè)傳感器模塊與一個(gè)基板模塊共同組合成一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)加入龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) [2]。本設(shè)計(jì)通過在基板模塊上堆疊不同數(shù)量、種類的傳感器，實(shí)現(xiàn)對各種場合與場所內(nèi)不同監(jiān)控對象的智能監(jiān)控，同時(shí)上位機(jī)控制中心可根據(jù)自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議 [3]，通過網(wǎng)關(guān)模塊向基板模塊發(fā)送操作指令，實(shí)現(xiàn)對基板模塊的控制。

在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要著重考慮以下問題：

（1）堆疊式可重構(gòu)：多個(gè)傳感器模塊可按層次方便、牢固地堆疊安裝在基板上，增加或減少某個(gè)傳感器模塊應(yīng)不受其他傳感器模塊或基板的影響，同時(shí)安裝在基板上的傳感器模塊可根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用需要，隨時(shí)調(diào)整安裝順序。

  (2)自適應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路接口：所有的傳感器模塊均應(yīng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信方式，即統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路接口，基板能按照傳感器模塊規(guī)定的數(shù)據(jù)通信格式快速、準(zhǔn)確地收集、解析數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)整合成數(shù)據(jù)幀，再發(fā)給上位機(jī)。

  (3)模塊與基板尺寸統(tǒng)一：在傳感器模塊與基板的實(shí)物設(shè)計(jì)方面，所有的傳感器模塊均應(yīng)采用統(tǒng)一的尺寸，根據(jù)傳感器模塊的大小及ZigBee通信模塊的大小合理設(shè)計(jì)基板的尺寸及元件分布。

2 堆疊式可重構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)市面上現(xiàn)有的傳感器特性及模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)傳感器模塊通用板，傳感器模塊如圖 2 所示。其中，板的尺寸為30 mm 30 mm，板上主要包括 STM32 單片機(jī)以及其外圍電路 [4]、傳感器及其外圍電路以及必須的數(shù)據(jù)鏈路接口，各器件合理地分布在板上。圖 2 中 a 為傳感器模塊的 4 個(gè)數(shù)據(jù)連接接口，每個(gè)接口由 2 針插針組成，起到固定模塊與數(shù)據(jù)通信的作用。這 4 個(gè)接口包括 I2C 總線通信接口，VCC，GND 等其他必須的數(shù)據(jù)鏈接接口，傳感器模塊之間的堆疊、傳感器模塊與基板的安裝就通過這4 個(gè)接口來實(shí)現(xiàn)，通過這4 個(gè)接口， 可將一個(gè)或多個(gè)傳感器模塊一層層地安裝在基板上。

根據(jù)傳感器模塊的尺寸、ZigBee 模塊大小及基板中 STM32 單片機(jī)單元的硬件設(shè)計(jì)電路，設(shè)計(jì)的基于 ZigBee 的 基板如圖 3 所示。其中，板的尺寸為 40 mm×60 mm，板上 主要包括 ZigBee 無線通信模塊 [5]、單片機(jī)控制單元、傳感 器模塊安裝插座及基板必須的接口連接件。其中，圖 3 中的 b 為 4 個(gè)排座組成的傳感器模塊安裝區(qū)域，c 為 ZigBee 無線 通信模塊。第一層傳感器模塊通過圖中 b 的 4 個(gè)插座安裝在 基板上，安裝完成示意圖如圖 4 所示，而第二層模塊則通過 傳感器模塊上的 4 個(gè)插座（如圖 4 中 d 所示）堆疊安裝在基 板上，依此類推，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)傳感器模塊組合安裝在同一個(gè) 基板上的目標(biāo)。

在本設(shè)計(jì)中，傳感器模塊間、傳感器模塊與基板間的連 接均采用堆疊式可重構(gòu)接口。此接口不僅起到電源和數(shù)據(jù)鏈路 的作用，實(shí)現(xiàn)傳感器模塊在三維空間上的堆疊，而且能夠使 基板與各傳感器模塊以并聯(lián)的方式掛載在電源線及 I2C 通信總 線上，實(shí)現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的高速采集及可靠傳輸。

圖 3 基板示意圖

圖 4 傳感器模塊安裝在基板上示意圖

為保證堆疊后整個(gè)裝置的物理穩(wěn)定性，需要在各傳感器模塊和基板上均設(shè)置堆疊式接口作為支撐點(diǎn)，即將所需電源接口、I2C 通信接口以及其他預(yù)留接口共 8 個(gè)接口按照兩兩一組的方式，將四組接口組成一個(gè)四角支撐的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而使上層模塊能夠穩(wěn)固地堆疊在下層模塊上。其中該數(shù)據(jù)鏈路接口的電路原理如圖 5 所示。P1，P2 作為地線，+3.3 V 或+5 V 作為接口，可滿足大部分微處理器和傳感元件的電源要求 ；P3 作為I2C 總線通信所需的SDA，SCL 接口，兩線均接有 2.2kΩ上拉電阻 ；P4 不作為任何接口，僅用于支撐。

3 自適應(yīng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)主要由基板及安裝在基板上的若干個(gè)傳感器模塊組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或中繼，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信 [6]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在眾多節(jié)點(diǎn)，為了提高節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)間的通信效率與可靠性，對它們的通信方式制定了統(tǒng)一協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定通信雙方采用數(shù)據(jù)包的通信格式：基板將收到的傳感器信息（主要包含傳感器類別、傳感器類型、傳感器名稱、傳感器模塊地址、傳感器數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)內(nèi)容）打包成數(shù)據(jù)包，然后配以數(shù)據(jù)頭、校驗(yàn)碼與停止位等特殊命令字，再把該數(shù)據(jù)包當(dāng)成一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行信息交換，逐幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可實(shí)現(xiàn)兩者間的持續(xù)通信。

基板與傳感器模塊具體的通信協(xié)議定義如下：

數(shù)據(jù)頭（2 B）+ 數(shù)據(jù)長度（1 B）+ 命令標(biāo)識(shí)符（1 B）+節(jié)點(diǎn)地址（2 B）+ 傳感器類別 1（1 B）+ 傳感器類型 1（1 B）+ 傳感器名稱 1（1 B）+ 傳感器模塊地址 1（1 B）+ 傳感器數(shù)據(jù)長度 1（1 B）+ 數(shù)據(jù)內(nèi)容 1（m B）+ 傳感器類別 2（1 B）+ 傳感器類型 2（1 B）+ 傳感器名稱 2（1 B）+ 傳感器模塊地址 2（1 B）+ 傳感器數(shù)據(jù)長度 2（1 B）+ 數(shù)據(jù)內(nèi)容 2（mB）+ + 傳感器類別 n（1 B）+ 傳感器類型 n（1 B）+ 傳感器名稱 n（1 B）+ 傳感器模塊地址 n（1 B）+ 傳感器數(shù)據(jù)長度 n（1 B）+ 數(shù)據(jù)內(nèi)容 n（m B）+ 校驗(yàn)碼（1 B）+ 停止位（1 B）

4 檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)不同傳感量的采集需求，在各基板上堆疊多種傳感器模塊，設(shè)置好基板與傳感器模塊的硬件地址，然后將無線通信模塊安裝在基板上并配置好通信模式，完成傳感節(jié)點(diǎn)的裝配。將各傳感節(jié)點(diǎn)安裝在不同的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，接通電源，搭建好無線傳感網(wǎng)絡(luò)后，各傳感節(jié)點(diǎn)開始工作。

以其中一個(gè)堆疊有水銀開關(guān)、煙霧、DHT11 溫濕度三種傳感器模塊的傳感節(jié)點(diǎn)為例，獲取某時(shí)刻這三種傳感器數(shù)據(jù)的采集情況，基板將這三種傳感器數(shù)據(jù)整合為數(shù)據(jù)幀的結(jié)果， 見表 1 所列。

上位機(jī)接收到基板整合的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀內(nèi) 容，可檢測出此時(shí)相應(yīng)監(jiān)控目標(biāo)的狀態(tài) ：該傳感節(jié)點(diǎn)為 1 號節(jié) 點(diǎn)，工作模式為連續(xù)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送 ；堆疊的第一層傳感器 為水銀開關(guān)傳感器模塊，水銀探頭處于閉合狀態(tài) ；第二層為 煙霧傳感器，傳感器附近的空氣中含有輕微煙霧 ；第三層為 DHT11 溫濕度傳感器，傳感器附近的溫度為 26℃，相對空氣 濕度為 54%。

在不同時(shí)間段、不同氣候及地理環(huán)境下，我們對系統(tǒng)的 主要性能參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)測試，得出的測試結(jié)果見表 2 所列。

由表 2 可知，本裝置能快速識(shí)別接入物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的傳感器， 并能根據(jù)監(jiān)控要求及時(shí)作出正確響應(yīng)，具有易操作、功耗低、 持續(xù)工作時(shí)間長及兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足多種監(jiān)控 場所的智能監(jiān)控需求 [7]。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構(gòu)無線傳感裝置，解決 了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)裝置兼容性不強(qiáng)、信息融合度不高、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一 等問題，完成了堆疊式可重構(gòu)硬件的設(shè)計(jì)、自適應(yīng)數(shù)據(jù)交換協(xié) 議的設(shè)計(jì)，無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，模擬量信號、數(shù)字量信號和開關(guān)量 信號的采集與處理以及執(zhí)行反饋動(dòng)作等功能，從而實(shí)現(xiàn)傳感 裝置的智能性、靈活性、多樣性與標(biāo)準(zhǔn)化。