物联网中的嵌入式中转节点设计与实现

王虎

摘 要： 基于RFID环境监测物联网嵌入式传感器中转节点未考虑中转节点任务的合理分配问题，节点能量供应容易受到环境的干扰，导致采集的环境监测信息精确度较低，故设计新的环境监测物联网嵌入式传感器中转节点。采用传感器模块对中转节点数据进行采集和A/D转换等操作；通过MSP430F1611芯片的处理器模块，合理分配中转节点中的工作任务；通过无线传输模块完成中转节点数据的接收和传输，采用核心是LM1117芯片的能量供应模块为其他模块的运转提供能量支持。软件部分实现了中转节点数据采集、数据处理、数据包发送以及接收指令的工作过程。实验结果表明，设计的嵌入式中转节点对环境监测信息采集精度高、功耗低。

关键词： 物联网； 嵌入式传感器； 中转节点； 处理器模块； 无线传输模块； 能量供应模块

中图分类号： TN711?34； TN925.93 文献标识码： A 文章编号： 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

伴隨计算机技术、通信技术以及消费产品技术的快速发展，物联网技术应用日益广泛[1]。相关研究领域的专家将物联网技术应用在环境信息监测中，物联网主要包括感知层、网络层以及应用层[2]。环境监测数据采集主要依赖于感知层功能的发挥，感知层主要由一些具备数据感知功能、通信功能的传感器中转节点构成。因此设计高质量的嵌入式传感器中转节点至关重要，对于环境监测信息的获取具有重要意义。传统基于RFID环境监测物联网嵌入式传感器中转节点，未考虑中转节点任务的合理分配问题，节点能量供应容易受到环境的干扰，导致采集的环境监测信息精确度较低。本文设计新的环境监测物联网嵌入式传感器中转节点，从硬件部分与软件部分描述中转节点的功能与工作过程，对环境监测信息进行准确采集，为环境监测提供关键性技术支持，具有较高的实际应用价值。

1 物联网中的嵌入式中转节点设计与实现

1.1 环境监测物联网感知层结构

传感器中转节点、汇聚节点、上位机共同构成环境监测物联网的感知层，本文对其中的传感器中转节点进行设计[3]。传感器中转节点无规律地分布在环境被监测区域内获取环境监测信息，经过中转节点的处理将获取的数据信息输送到汇聚节点；接收传感器中转节点发送的数据信息、转发上位机的指令是汇聚节点的主要职责；接收汇聚节点发送的数据信息实施预处理以及向汇聚节点发送指令是上位机的主要功能。

1.2 物联网中嵌入式传感器中转节点硬件设计

嵌入式传感器中转节点的硬件部分由能量供应模块、传感器模块、无线传输模块以及处理器模块共同构成详细的硬件结构如图1所示。

由图1知：能量供应模块是传感器中转节点不同构成部分的能量来源，为中转节点的运转提供能量支持；嵌入式传感器中转节点数据的处理、加工、过滤、A/D转换等操作都是通过传感器模块实现[4]；中转点工作任务的合理分配与设备的操作依赖于处理器模块功能的发挥；嵌入式传感器中转节点数据的接收与传输通过无线传输模块实现。

1.2.1 处理器模块设计

本文设计的嵌入式传感器中转节点处理器模块为MSP430F1611芯片，来自TI公司生产的MSP430系列。该芯片包含的信号电路齐全，且具有功率消耗低的优势。处理器模块采用12位的模/数转换器，其速率上限为200 kbit·s-1。该处理器模块的节能功能极其强大，节省了大量节点能量消耗[5]。

1.2.2 无线传输模块设计

嵌入式传感器中转节点正常工作的运行需要性能优秀的无线传输模块为支撑。为了提高抗干扰能力、扩大使用范围，本文设计的嵌入式传感器中转节点采用2.4 GHz ZigBee短距离无线传输技术，具有构建高质量、高难度网络结构的能力[6]。将TI公司研发的CC2530F256芯片应用在文章设计的中转节点中，同时运行ZigBee2007/PRO协议，协调器自动向节点发送地址的操作可通过上电自动组网来实现。

1.2.3 传感器模块设计

感知电路与信号电路共同构成传感器模块，嵌入式传感器中转节点的数据采集功能主要通过传感器模块实现。其中感知电路的数据感知功能主要是对温度、湿度、气体等数据的获取，发挥积分电路、放大电路的功能实现数据的预处理，并对其实施净化操作，采用A/D模/数转换器将处理后的数据信息转化成数字信号，根据中转节点的需求进行传输[7]。

由于环境监测传感器的种类繁多，具体分为温度、湿度、气体、加速度等传感器。土壤、水环境的相关数据可通过普通的温湿度传感器进行获取，而气体相关数据需要采用气体传感器进行监测。能量支持存在限制、处理能力弱，是嵌入式传感器中转节点的缺点，且嵌入式传感器中转节点体积必须小巧[8]。基于这些因素，嵌入式传感器中转节点的研发受到极大限制。

1.2.4 能量供应模块设计

电池供电是嵌入式传感器中转节点不同组成部分的主要能量提供方式。图2详细描述了能量供应模块的电源电路图。

由圖2可知，能量供应模块的调压器是LM1117芯片，掌握电流的动向、使电流不被损坏是其优势，1.8 V，2.5 V，2.85 V以及3.3 V的不变电压输出均来自LM1117芯片。电池产生的5～9 V经过降压处理，输出3.3 V电压，嵌入式传感器中转节点的电量支持均来源于此。

1.3 中转节点工作流程实现

汇聚节点将查询与控制指令传达给嵌入式传感器中转节点，由其进行数据采集与指令响应[9]。中转节点的数据获取呈周期性规律，定时器会在预先设置好的时间点停止数据采集，中转节点接收到的查询与控制指令通常以终止信号的方式进行处理[10]。图3描述了中转节点的工作流程。由图3知，中转节点的硬件模块与协议栈进行初始化，加入环境监测物联网开始工作。当定时器中断时，中转节点开始进行数据采集、处理、发送等操作；若定时器未中断，中转节点进入接收指令状态。

2 实验分析

2.1 实验设置

为了验证本文设计的环境监测物联网中嵌入式传感器中转节点的性能，对采用该设计的智能环境监测系统进行性能测试，主要方式是监测H公寓的温度、湿度、气体环境，采集相关数据。将18个传感器中转节点均匀安置在H公寓5层楼的楼梯处、天花板处等不同角落，其中包括温度传感器、湿度传感器、CO2气体传感器、SO2气体传感器。

实验主要从中转节点的温度采集精度和中转节点的丢包率两方面分析本文设计的中转节点的性能，将获取的实验数据进行归纳制成图表。

2.2 中转节点性能分析

2.2.1 中转节点的温度采集精度实验结果分析

将本文中转节点与融合RFID传感器中转节点进行实验对比。采用相同的实验环境在12个时间点进行温度数据采集。两种中转节点获取的温度值以及真实的温度值如表1所示。

由表1知，在12次温度采集中，本文中转节点采集的温度值与真实温度值吻合程度较高，平均温度值为20.27 ℃，与真实温度值仅仅相差0.01 ℃；融合RFID传感器中转节点获取的温度值与真实温度值相比误差较大，平均温度值为18.78 ℃，与真实温度值相差1.49 ℃。综上所述，本文中转节点采集的温度值与真实温度值趋于一致，且与融合RFID传感器中转节点相比精确度高。实验结果表明，本文设计的中转节点在温度采集方面具有高精度的优势。

2.2.2 中转节点丢包率实验结果分析

丢包率反映了中转节点进行数据传输与接收的能力，将本文中转节点与融合RFID传感器中转节点、基于ZigBee协议的传感器中转节点进行对比实验，对CO2气体进行数据采集与研究，进行10次数据采集实验，计算每次实验不同中转节点的丢包率平均值，将其制成表2。

分析表2能够看出，本文中转节点采集空气中CO2含量的丢包率均值为0.05%，为三种中转节点中最低；融合RFID传感器中转节点采集空气中CO2含量的丢包率均值为0.13%；基于ZigBee协议的传感器中转节点采集空气中CO2含量的丢包率均值为0.13%，与融合RFID中转节点的丢包率均值相同。综合比较上述数据，本文设计的中转节点获取的丢包率远远低于其他两种中转节点。实验结果表明，本文设计的中转节点的数据采集能力强、误差小。

3 结 论

本文从硬件与软件两部分对环境监测物联网嵌入式传感器中转节点进行设计。实验结果表明，本文设计的中转节点具有数据采集精度高、丢包率低的优势，为环境监测提供有效的技术支持，具有较高的实际应用价值。

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