摘  要： 利用嵌入式系統(tǒng)的良好移植性和配置靈活性設(shè)計(jì)了一種智能傳感節(jié)點(diǎn),，能夠在本地或遠(yuǎn)程對(duì)接入的傳感器進(jìn)行管理配置,，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用和管理更加便捷和有效。
關(guān)鍵詞： 傳感器,；傳感器網(wǎng)絡(luò),；智能傳感節(jié)點(diǎn)；嵌入式系統(tǒng)

　隨著各行業(yè)信息化的加速及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,，傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署不斷加速發(fā)展,。傳感節(jié)點(diǎn)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)和傳感器接入及管理節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著數(shù)據(jù)收發(fā),、節(jié)點(diǎn)管理及與上層網(wǎng)絡(luò)的通信功能,，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用,。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor Node）通過有線（如RS-485,、RS-232,、CAN等）或無線（如ZigBee、Bluetooth等）通信連接方式將傳感器（Sensor）匯集到一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，構(gòu)成一個(gè)星形傳感器網(wǎng)絡(luò),。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理與之相連接的傳感器設(shè)備，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)以供應(yīng)用層連接使用,。

　智能化的傳感器節(jié)點(diǎn)可有效提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理效率和優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)配置,。本文基于嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)程管理配置傳感器設(shè)備的智能傳感節(jié)點(diǎn),，以提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理和使用效率,。
1 智能傳感節(jié)點(diǎn)功能與原理
　傳感器節(jié)點(diǎn)的功能定位是對(duì)下接入數(shù)字通信型傳感器或模擬式傳感器（可選），自動(dòng)掃描識(shí)別接入的傳感器設(shè)備,，并遠(yuǎn)程對(duì)其進(jìn)行需要的配置,。配置完成后，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài),，接收傳感器采集來的數(shù)據(jù),，并按照通信協(xié)議規(guī)范將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信接口送到上層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，圖2所示為智能傳感器節(jié)點(diǎn)一般原理示意圖[1-3],。

　根據(jù)功能需求,，傳感節(jié)點(diǎn)主要由可選的接入傳感器信號(hào)調(diào)理、網(wǎng)絡(luò)通信接口,、微控制器和供電模塊部分組成,。如圖2所示[4]，可選標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)接口與調(diào)理模塊適用于直接接入模擬傳感器,，以太網(wǎng)RS-485,、無線Wi-Fi、ZigBee和3G等模塊主要以有線或無線方式接入數(shù)字化的傳感器及連接互聯(lián)網(wǎng),。RS-232也可用于接入傳感器,，但主要用于智能傳感節(jié)點(diǎn)的終端調(diào)試。
　微處理器采用基于ARM11架構(gòu)的三星S3C6410嵌入式處理器[5],。S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器,，還為2.5G和3G通信服務(wù)提供優(yōu)化的H/W性能，支持USB主設(shè)備及USB OTG功能,，支持UART,、I2C總線，提供SPI,、GPIO接口和MMC/SD主設(shè)備,。
　微處理器除了承擔(dān)傳感器接入識(shí)別及通信外,，還可以運(yùn)行基于嵌入式Web服務(wù)的配置和管理程序。由于本傳感器節(jié)點(diǎn)可將傳感器及其組成的傳感網(wǎng)絡(luò)接入到現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)發(fā)的作用,，因此，本傳感器節(jié)點(diǎn)也可稱之為傳感路由器,。
2 硬件模塊設(shè)計(jì)
2.1信號(hào)接口調(diào)理模塊
　限于篇幅,，本文只說明了電流信號(hào)接口模塊的設(shè)計(jì)。圖3所示為電流信號(hào)接口調(diào)理電路原理框圖,。由于S3C6410內(nèi)部自帶一個(gè)具有8通道模擬輸入的10 bit/12 bit ADC轉(zhuǎn)換模塊，在5 MHz的ADC時(shí)鐘下,，最大轉(zhuǎn)換率是1 MS/s,，ADC轉(zhuǎn)換器帶有片上采樣保持功能，且支持電源休眠模式,。本設(shè)計(jì)采用了S3C6410內(nèi)部自帶的ADC轉(zhuǎn)換模塊,。圖4所示為電流-電壓信號(hào)變換/放大電路，輸入的電流由100 Ω精密負(fù)載電阻變換為電壓信號(hào),，由同向放大電路放大至ADC轉(zhuǎn)換所需要的電平,，增益可以由電位器來進(jìn)行微調(diào)。運(yùn)放采用AD8551芯片,，其在低壓差單電源情況下表現(xiàn)完美,，具有極低失調(diào)電壓（5 μV）和極低的溫漂（0.03 ?滋V/°C）。
圖5所示為電源供電電路,，穩(wěn)壓芯片采用了線性LM1117DT5.0和LM1117DT3.3,，具有較寬的輸出電壓范圍（1.25 V～13.8 V），輸出電流可達(dá)800 mA,。

2.2 通信接口模塊
　圖6所示為Ethernet網(wǎng)絡(luò)通信接口電路原理圖,，是智能傳感節(jié)點(diǎn)與上層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行通信的主要方式，也是本地或遠(yuǎn)程訪問智能傳感器的通信方式,。以太網(wǎng)主控芯片采用ENC28J60,，通過SPI串行口與微控制器相連。ENC28J60是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器,，采用了一系列包過濾機(jī)制以對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行限制,，內(nèi)部還提供了一個(gè)DMA模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算,，與微處理器通過兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn),，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。

3 嵌入式系統(tǒng)及Web服務(wù)構(gòu)建
3.1系統(tǒng)內(nèi)核的構(gòu)建
    智能傳感節(jié)點(diǎn)采用的微處理器芯片是Samsung S3C6410,，是一款基于ARM11內(nèi)核能夠運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)式智能處理器[5],。本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng),，負(fù)責(zé)管理傳感器的接入、數(shù)據(jù)采集,、網(wǎng)絡(luò)通信及提供Web服務(wù)等,。系統(tǒng)內(nèi)核基于linux-2.6.36版本進(jìn)行裁減移植[6-7]，主要保留了系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)核,、電源檢測(cè)管理,、通信接口驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相關(guān)的部分,。添加了ADC驅(qū)動(dòng),，Wi-Fi、Bluetooth,、3G,、ZigBee等無線通信協(xié)議及驅(qū)動(dòng)[8]、修改了部分硬件驅(qū)動(dòng),，經(jīng)廣州友善之臂公司提供的交叉編譯工具arm-linux-gcc-4.3.2完成內(nèi)核重新編譯,，并制作根文件系統(tǒng)。最后將映像文件下載到SD/MMC卡中,，并設(shè)置系統(tǒng)從SD/MMC引導(dǎo)啟動(dòng)[9-11],。
3.2 嵌入式輕量級(jí)Web服務(wù)構(gòu)建
　為便于通過智能傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程配置管理和對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理設(shè)置，在智能傳感節(jié)點(diǎn)嵌入式操作系統(tǒng)中配置了小型輕量級(jí)Web服務(wù)boa引擎[12],，通過CGI程序getpara.cgi,、setpara.cgi、scan.cgi分別讀取傳感節(jié)點(diǎn)的配置信息,、更改配置信息和掃描接入的傳感設(shè)備,，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理傳感設(shè)備和傳感節(jié)點(diǎn)。圖7為使用360安全瀏覽器通過內(nèi)網(wǎng)IP地址訪問智能傳感節(jié)點(diǎn)查看節(jié)點(diǎn)信息的頁面,，左邊導(dǎo)航欄可分別掃描接入的傳感設(shè)備,、查看節(jié)點(diǎn)配置信息和更改節(jié)點(diǎn)配置信息等。智能傳感節(jié)點(diǎn)通過執(zhí)行通用網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器程序scan.cgi發(fā)送統(tǒng)一的狀態(tài)查詢命令CMD_SCAN（0x01）,，各接入的傳感器設(shè)備接收到此命令后,，返回一條確認(rèn)信息RET_ACK（Ox11）和自身的身份信息INFO_ID，通過解析可顯示在管理頁面上,；通過執(zhí)行g(shù)etpara.cgi程序可將當(dāng)前選中的傳感設(shè)備的配置信息讀取出來并顯示在頁面上,；同樣，通過執(zhí)行setpara.cgi程序可對(duì)當(dāng)前的傳感器設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置,；根據(jù)需要還可編寫其他功能的CGI程序來完成相應(yīng)的管理或配置功能,。由于這些工作是通過Web網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來完成的，因此可在本地或遠(yuǎn)程通過IP地址訪問智能傳感節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)備的配置與管理,。

　智能化的傳感節(jié)點(diǎn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和傳感器或傳感節(jié)點(diǎn)的管理及配置作用,。在提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸及通過能效管理以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命等方面都具有至關(guān)重要的作用。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于嵌入式系統(tǒng)的智能傳感節(jié)點(diǎn),，可實(shí)現(xiàn)以有線或無線等通信方式接入多種類型與功能的傳感器設(shè)備,。構(gòu)建的輕量級(jí)Web服務(wù)可在本地或遠(yuǎn)程對(duì)接入的傳感器設(shè)備進(jìn)行管理配置，提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化管理和運(yùn)行效率,。本文下一步的工作是不斷完善智能傳感節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā),，增加對(duì)傳感器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制與處理功能,，使其智能化,、低功耗和高可靠等性能不斷提高。
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