嵌入式智能传感器系统设计与实现

申玉玲

（山西工程职业学院 山西 太原 030000）

1 引言

计算机技术作为技术发展的核心，在计算机技术支撑下出现了嵌入式系统，因其串联能力强，控制灵活，且具有智能化和互联性，因而被广泛应用在诸多领域中[1-2]。传感器是嵌入式系统中的关键，在监测区域部署多个微型传感器，通过节点连接组成传感器网络，对监测区域的对象信息进行采集和处理，经无线通信方式发送给观察者，便于处理[3]。

2 嵌入式传感器系统特点

嵌入式系统支持多任务同时进行，中断响应时间短，具有强大的存储保护功能，可扩展性强，能扩展出所需的多个功能。传感器本身可以实现通信协议，直接连接Internet，不需要额外的通信处理机，能实现全分布式测控网络，简化系统结构，提高系统的可靠性，便于维护[4-5]。现场信号的实时发布和共享可以通过传感器节点来实现，网络授权用户可以通过浏览器进行浏览，还可以根据现场的实际情况进行在线控制和编程，实现嵌入式智能传感器系统的智能化和远程操作[6]。

3 系统硬件设计

对嵌入式传感器系统进行硬件结构设计，硬件结构图见图1，主要包括微处理模块、外扩功能接口模块和智能通信模块，其中微处理模块负责对数据进行采集、处理和存储[7]；外扩功能接口模块为传感器提供通信接口，便于功能扩展；智能通信模块主要是通过串口与上位机进行通信，实现对数据的无线接收和发送[8]。

图1 系统硬件结构图

3.1 微处理模块

嵌入式传感器系统的核心部件是微处理器，包括外扩存储器和无线收发模块[9]。外扩存储器采用STM32F103作为微处理器，有较强的数据处理能力，应用低功耗和高性能的Cortex-M3内核[10]，时钟频率为72 MHz，同时有多个外设接口和接口电路，便于进行功能扩展，采用12位集成A/D转换器，不需要使用外接模数转换芯片，可有效降低外围电路的复杂性，通过时钟唤醒功能，降低传感器节点的功耗。无线收发模块采用XBee-Pro模块，数据传输效率为250 kbps，工作电压为3.4 V，集成度高，使用方便，采用UART串口与微处理器通信。为了降低节点的功耗，在通信范围内，将发射功率降到最低，在发送完后，将发送数据和控制引脚设为0，降低收发模块功耗。

3.2 外扩功能接口模块

接口模块是为外接的传感器提供接口，有2×15针接口和可编程增益放大器。目前广泛使用的有SPI串行外围接口和IIC总线接口，接口引脚包括电源接口、数字和模拟地接口、SPI接口、IIC接口、模拟信号接口以及I/O接口。可编程增益放大器是依靠可编程功能[11]，对传感器模拟信号按倍数进行放大，以满足不同的信号放大要求，采用MCP6S28芯片，提供8个可供选择的增益，在多个通道中来回切换，这样可以简化电路模拟部分，省去多余重复的节点[12]。

3.3 智能通信模块

智能通信模块中，起主要作用的是射频收发器，作为通信模块的核心元件，采用CC2420射频收发器，其电路图见图2[13]。在接收到微处理器传来的电压和电流信号后，采用振荡器对信号进行放大，处理后得到射频信号，进一步进行变频、过滤、转换、信号增益和缩小等操作，得到最终的电压和电流信号。CC2420射频收发器的功能强大，信号传输速率为250 kb/s，可以保证系统的控制效率，能达到降低能耗的目的。

图2 射频收发器电路图

4 系统软件设计

嵌入式传感器系统的信号采集流程见图3。

图3 终端信号采集流程图

在采集传感器节点信号时，嵌入式系统中各模块电路的计时器也同步开始工作，将计时器测量的数据与采集到的信号一并进行信号处理，最终传输到终端。终端在收到信号后，对信号进行分析和控制，如果终端没有收到信号，或是信号没有经过处理，则信号会原路传回传感器网络，进行再次处理后发送给终端[14]。

嵌入式系统在不采集传感器节点信号时，微处理器模块处于休眠，不产生能量消耗。为了确保系统不间断持续工作，给系统配备叫醒功能。在微处理器模块休眠时，如果有传感器节点信号更新，叫醒功能会启动，自动将微处理器模块调到正常状态[15]。

5 性能测试

为了验证嵌入式传感器系统的性能，在某配电室进行实验，对各个传感器节点的功耗进行测试，得到不同工作状态下节点的功耗见表1。

表1 功耗分析

从表1可以看出，各个传感器节点在进行数据接收和发送的过程中会产生大量的功耗，这是由于无线收发模块自身功耗较大造成的。在采用低功耗和工作模式相互交替后，每工作0.5 min，传感器节点进入一次低功耗，待机10 min，这样降低了节点的平均功耗，达到低功耗的目的，实现系统强扩展性、高便捷性、低功耗性[16]。

6 结论

针对现有的传感器系统中节点大量重复、能耗高、扩展能力差等问题，设计一种嵌入式智能传感器系统，结果如下。

（1）硬件结构采用高性能STM32F103微处理器和强扩展性CC2420射频收发器，软件系统中配套叫醒功能，自动进行调节，降低系统功耗。

（2）通过在某配电室中应用，对各个传感器节点的功耗进行测试，结果表明：在采用低功耗和工作模式相互交替后，降低了节点的平均功耗，达到低功耗的目的。