基于嵌入式系统的传感器应用试验设计
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摘要：传感器网络是一种崭新的信息获取和处理技术，集成了传感器、网络、无线通信和嵌入式系统四大技术而形成。嵌入式系统是当前电子计算机的一种较普遍应用形式，此类电子系统不易被用户注意，也可称它为埋藏式计算机。本文主要介绍在传感器网络的系统组成、工作原理与嵌入式系统及其体系结构，以及无线传感器中嵌入式系统的应用及发展现状和未来前景。
关键词：传感器网络；嵌入式系统
嵌入式系统是一种智能部件内装于专用设备的高速计算机，它的主要功能是作为一个大型工程系统中的信息处理部件来控制专门的硬件设备。嵌入式计算机系统广泛地用于办公自动化、消费、通信、汽车、工业和军事领域。近十年来，嵌入式系统得到了飞速的发展，它的运行离不开嵌入式操作系统。从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块如：文件系统TCP/IP网络系统、GUI图型系统等。
1 传感器网络系统组成及工作原理
传感器网络是未来计算环境的重要组成部分。它由多种类、大数量的传感节点而构成的自治网络，连接着现实世界，以此来实现对物理世界的感知了解。传感器网络是集合了信息采集、传送、处理于一身的综合智能的信息系统，它不需要专用特殊的通信路线；传递速度迅速；能够传送多种形式信号；对于任一种Web浏览器都适用；信息反馈形式多样；同时又具备实时自动更新的功能，并且集合了通信、计算机、网络与传感器等技术，拥有十分广阔的应用和研究发展价值。
传感器网络系统主要由无线设备模块、服务器模块、客户界面模块这3大模块组成，其中服务器模块又由无线接收模块、网卡硬件模块、网络软件模块、嵌入式系统模块这几个部分构成。于此同时，研究者又一致把服务器当中的“无线接收模块”和无线设备中的“无线发送模块”合称为“无线收发模块”，而客户界面模块主要指浏览器。
传感器收集到的数据通过数据采集器的处理加工，之后被传递到嵌入式系统中，经过相应的运算后，又由无线发射装置传出。无线接收装置能够在同一时间加工多个传感器传输过来的信号，再将这些传来的信息利用通信适配器（如RS232）送到主控机上。
2 嵌入式系统及其体系结构
嵌入式系统是电子计算机应用形式之一，通常情况下是指嵌入在电子设备中的微处理机系统。该系统的主要功能就是辅助帮助它所嵌入的電子设备，使它们这一整个系统的功能网络化智能化，使其更好地为用户提供优化的作用。所以在此类嵌入式系统中，计算机硬件系统中通常都包含有操作系统和应用软件，这就让该系统的应用软件与硬件构成一体化。因此，嵌入式系统的硬件与应用软件的高效率协同工作，就能够在同样的系统配置上实现更高的应用性能。
嵌入式系统是一种硬件和应用软件相互配合并能够分别单独工作的系统，它的主要组成部分包括嵌入式微处理器、外部硬件设备、嵌入式操作系统以及应用软件系统等。根据其应用方式的差异，可将嵌入式系统分为知识产权核（IP）级、模块级和芯片级，它们都需要结合真实状况，把需要的功能或模块嵌入到各类应用系统产品中。其中知识产权核IP技术代表着知识产权，是该系统内部所要完成某项系统功能的核心，也是对拥有系统内部的某些特制硬件和软件等技术的保障。IP核不仅指数字IP，也指IP核的模拟，IP核又包括软核、硬核等。所以，综上所述的核可能是芯片设计者设计的某一过程中所采用的软核，也可能是设计者为保障技术需求而设计的专门过程中的硬核。模块级是指该应用系统是由x86处理器组成的计算机系统模块而嵌入构成的一种设计方式，这种方式的嵌入式系统重点是要缩小设备体积，增加设备使用的可靠性，将操作系统优化为嵌入式操作系统，同时把应用软件固定在这样的固态盘中。至于芯片级，是按照各种应用系统产品的具体情况或要求，选择相对应的处理器芯片，共同构成嵌入式系统，并将相对应的系统软件和应用软件以固定的形式固化在不容易丢失的存储器芯片中去。
3 通用嵌入式传感器节点硬件平台设计
3.1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。（2）传感器和外扩功能接口模块。（3）通信模块。（4）电源模块。
3.2 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，降低了外围电路的复杂程度。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。
3.3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串行外围接口和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。
3.4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。
4 结束语
目前，我国针对嵌入式系统的应用，主要还是体现在计算机外围设备、信息家电、电子商务、网络技术、国防工业、生物微电子技术等领域。而对于嵌入式系统在线可编程技术和数字信号处理器的结合的研究还较少，在未来，这将是该系统研究与应用的一个重要发展和研究方向。这有待于我们的研究者继续深入探讨和发现。
参考文献
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（作者单位：天津光电高斯通信工程技术股份有限公司）
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