嵌入式传感器节点设计及其应用

【前言】嵌入式传感器节点设计及其应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。根据节点设计原则，将通用嵌入式传感器节点的硬件平台分为以下几个模块：（1）核心模块。主要包括微处理器和外扩存储芯片，负责传感器数据的采集、处理和存储。（2）传感器和外扩功能接口模块。提供多种数字传感器以及模拟传感器的通信接口、通用I/0口，方便传感器和...

【摘要】 针对现有物联网应用中传感器节点的设计存在大量重复开发、扩展能力不强等不足，以高性能的STM32微处理器和uC/OS-II嵌入式实时操作系统为核心，采用Zigbee无线通信技术，设计了一种具有高扩展能力的通用嵌入式传感器节点。该传感器节点提供多样化的传感器和外扩功能接口，方便各种传感器的连接和功能的扩展。在uC/OS-II嵌入式实时操作系统的支持下可快速搭建面向物联网研究和应用的专用传感器节点。实际应用测试表明，节点良好地实现了高性能、低功耗、高扩展能力和复用性的设计目标，为加快物联网的开发和应用打下了良好的基础。

【关键词】 物联网 通用性 高扩展能力 无线传感器网络

目前各机构在物联网的研究和开发中相对独立[1-2]，势必造成传感器节点的大量重复开发。它能够根据具体的应用场合对软硬件进行扩展或裁剪，从而快速搭建专用的传感器节点。

一、通用嵌入式传感器节点硬件平台设计

1.1 传感器节点功能模块划分

根据节点设计原则，将通用嵌入式传感器节点的硬件平台分为以下几个模块：（1）核心模块。主要包括微处理器和外扩存储芯片，负责传感器数据的采集、处理和存储。（2）传感器和外扩功能接口模块。提供多种数字传感器以及模拟传感器的通信接口、通用I/0口，方便传感器和其他功能的扩展。（3）通信模块。包括无线模块和RS232接口，完成数据的无线发送、通过串口和上位机通信。（4）电源模块。为节点工作提供电源。

1.2 核心模块设计

（1）微处理器。微处理器是嵌入式传感器节点工作的核心部件，不仅控制和管理节点的工作，也是各种功能扩展和实现的基础。本节点设计采用ST公司的STM32F103微处理器。STM32F103基于针对低功耗和高性能应用的Cortex-M3内核，其时钟频率为72MHz，具备较强的数据处理能力；它具有丰富的外设接口，包括多个IIC、SPI接口以及USB、UART等接口电路，方便节点功能的扩展；集成12位A/D转换器，不需要外接模数转换芯片，降低了电路的复杂程度。此外STM32F103有多种低功耗模式，并能够通过实时时钟唤醒工作，可以有效降低节点的功耗。

为降低节点的功耗，使用该模块时注意两个问题：（1）在不影响通信距离要求的前提下，尽可能降低发射功率；（2）发送完成后，将节能控制引脚、发送使能和发送数据引脚置为0，可以有效降低XBee-Pro模块的功耗。

1.3 传感器和外扩功能接口模块

接口模块主要用于为外接传感器提供接口，接口和一个针对模拟传感器应用的可编程增益放大器。目前还没有标准的数字传感器通信总线，不过有调查结果表明，SPI串行接口和IIC总线被广泛用于大多数类型的测量及传感器中，具有一定的通用性。

可编程增益放大器主要用于对模拟传感器的信号进行放大，采用可编程功能可选放大倍数，可以满足不同的信号放大需求。该芯片采用美国微芯公司生产的MCP6S28芯片，它有8个可供选择的增益，可在多个通道之间切换。该芯片的灵活性，简化了模拟部分电路，满足节点的通用设计。

二、节点应用测试

通用嵌入式传感器节点已经在江苏物联网研究发展中心得到应用。应用结果表明，传感器节点工作稳定可靠、扩展能力强，节点搭建方便。在应用中针对节点的功耗做了测试，节点在多种工作状态下的功耗如表1所示。

从以上分析可以得出，节点在数据发送和接收时功耗会较大，主要是无线收发模块的功耗相对较高导致。由于节点采用低功耗模式和工作模式交替运行，每工作0.5分钟，节点即进入低功耗模式，待机时间设置为10分钟，所以节点的平均功耗得到有效降低，实现了低功耗的目的。

参 考 文 献

[1] 陈德裕，张宪隶，顾晓涛. 物联网下的嵌入式家居安全监控系统设计与实现[J]. 传感器与微系统，2012，31（9）：105-109

[2] 李战明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的环境监测无线传感器网络节点设计[J]. 电子测量技术，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] 陈安都，刘少强. 振动信号在线检测的超低功耗无线传感器节点设计[J]. 计算机工程与科学，2008，30（4）：95-97