引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術不斷發(fā)展完善，已經(jīng)成為人們工作及生活中必不可少的技術之一。一些智能物聯(lián)網(wǎng)裝置已被廣泛應用于工業(yè)、物流、安防、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領域。但現(xiàn)存應用中的物聯(lián)網(wǎng)裝置大都針對具體的應用場所開發(fā)設計，還有一些關鍵的技術問題尚未突破，從而限制了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。其中，亟待解決的共性問題如下 [1]。

(1) 應變力較差 ：目前的物聯(lián)網(wǎng)裝置大多針對某個具體的應用場景進行定制開發(fā)與部署，缺乏共性解決方案，而且大多數(shù)裝置采用有線設備進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，很大程度上影響了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的兼容性與適應性。

(2) 信息融合度不高：傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎，由于傳感技術的多樣性和復雜性，不同傳感器收集到的數(shù)據(jù)整合和預處理是當今物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)中的一個難題。

(3) 標準不統(tǒng)一：目前存在的物聯(lián)網(wǎng)標準大多是行業(yè)應用標準或傳輸層標準，而關于應用層與感知層的數(shù)據(jù)交換標準卻還未建立，導致物聯(lián)網(wǎng)裝置或系統(tǒng)間的信息交流比較困難， 因此要把現(xiàn)有標準進行融合，建立一個權威的數(shù)據(jù)交換標準是一大挑戰(zhàn)。

針對以上不足，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構無線傳感裝置，介紹了堆疊式傳感器模塊與基板的設計方法，同時還對傳感器模塊間、傳感器模塊與基板間的數(shù)據(jù)鏈路接口進行設計，制定了傳感器節(jié)點間互相交換信息的自適應數(shù)據(jù)交換協(xié)議，從而為各領域物聯(lián)網(wǎng)應用提供了共性解決方案。

1 總體結構設計

本文提出的堆疊式可重構無線傳感裝置主要由傳感器模塊和基板模塊組成，其總體結構設計如圖 1 所示。該裝置根據(jù)不同傳感量的采集需求，將相應傳感器模塊通過堆疊的方式安裝在基板模塊上。其中，傳感器模塊負責采集傳感量數(shù)據(jù)，并通過I2C 總線通信方式將采集到的傳感量數(shù)據(jù)傳輸至基板模塊 ；基板模塊按照自適應數(shù)據(jù)交換協(xié)議，對接收到的各種傳感量數(shù)據(jù)打包，同時通過ZigBee 無線網(wǎng)絡發(fā)送至網(wǎng)關模塊，進而傳輸至上位機控制中心 ；多個傳感器模塊與一個基板模塊共同組合成一個傳感器節(jié)點，該節(jié)點通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡加入龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) [2]。本設計通過在基板模塊上堆疊不同數(shù)量、種類的傳感器，實現(xiàn)對各種場合與場所內不同監(jiān)控對象的智能監(jiān)控，同時上位機控制中心可根據(jù)自適應數(shù)據(jù)交換協(xié)議 [3]，通過網(wǎng)關模塊向基板模塊發(fā)送操作指令，實現(xiàn)對基板模塊的控制。

在硬件結構設計方面需要著重考慮以下問題：

（1）堆疊式可重構：多個傳感器模塊可按層次方便、牢固地堆疊安裝在基板上，增加或減少某個傳感器模塊應不受其他傳感器模塊或基板的影響，同時安裝在基板上的傳感器模塊可根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程應用需要，隨時調整安裝順序。

  (2)自適應數(shù)據(jù)鏈路接口：所有的傳感器模塊均應采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信方式，即統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路接口，基板能按照傳感器模塊規(guī)定的數(shù)據(jù)通信格式快速、準確地收集、解析數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)整合成數(shù)據(jù)幀，再發(fā)給上位機。

  (3)模塊與基板尺寸統(tǒng)一：在傳感器模塊與基板的實物設計方面，所有的傳感器模塊均應采用統(tǒng)一的尺寸，根據(jù)傳感器模塊的大小及ZigBee通信模塊的大小合理設計基板的尺寸及元件分布。

2 堆疊式可重構硬件設計

根據(jù)市面上現(xiàn)有的傳感器特性及模塊的設計特點設計傳感器模塊通用板，傳感器模塊如圖 2 所示。其中，板的尺寸為30 mm 30 mm，板上主要包括 STM32 單片機以及其外圍電路 [4]、傳感器及其外圍電路以及必須的數(shù)據(jù)鏈路接口，各器件合理地分布在板上。圖 2 中 a 為傳感器模塊的 4 個數(shù)據(jù)連接接口，每個接口由 2 針插針組成，起到固定模塊與數(shù)據(jù)通信的作用。這 4 個接口包括 I2C 總線通信接口，VCC，GND 等其他必須的數(shù)據(jù)鏈接接口，傳感器模塊之間的堆疊、傳感器模塊與基板的安裝就通過這4 個接口來實現(xiàn)，通過這4 個接口， 可將一個或多個傳感器模塊一層層地安裝在基板上。

根據(jù)傳感器模塊的尺寸、ZigBee 模塊大小及基板中 STM32 單片機單元的硬件設計電路，設計的基于 ZigBee 的 基板如圖 3 所示。其中，板的尺寸為 40 mm×60 mm，板上 主要包括 ZigBee 無線通信模塊 [5]、單片機控制單元、傳感 器模塊安裝插座及基板必須的接口連接件。其中，圖 3 中的 b 為 4 個排座組成的傳感器模塊安裝區(qū)域，c 為 ZigBee 無線 通信模塊。第一層傳感器模塊通過圖中 b 的 4 個插座安裝在 基板上，安裝完成示意圖如圖 4 所示，而第二層模塊則通過 傳感器模塊上的 4 個插座（如圖 4 中 d 所示）堆疊安裝在基 板上，依此類推，實現(xiàn)了多個傳感器模塊組合安裝在同一個 基板上的目標。

在本設計中，傳感器模塊間、傳感器模塊與基板間的連 接均采用堆疊式可重構接口。此接口不僅起到電源和數(shù)據(jù)鏈路 的作用，實現(xiàn)傳感器模塊在三維空間上的堆疊，而且能夠使 基板與各傳感器模塊以并聯(lián)的方式掛載在電源線及 I2C 通信總 線上，實現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的高速采集及可靠傳輸。

圖 3 基板示意圖

圖 4 傳感器模塊安裝在基板上示意圖

為保證堆疊后整個裝置的物理穩(wěn)定性，需要在各傳感器模塊和基板上均設置堆疊式接口作為支撐點，即將所需電源接口、I2C 通信接口以及其他預留接口共 8 個接口按照兩兩一組的方式，將四組接口組成一個四角支撐的穩(wěn)定結構，從而使上層模塊能夠穩(wěn)固地堆疊在下層模塊上。其中該數(shù)據(jù)鏈路接口的電路原理如圖 5 所示。P1，P2 作為地線，+3.3 V 或+5 V 作為接口，可滿足大部分微處理器和傳感元件的電源要求 ；P3 作為I2C 總線通信所需的SDA，SCL 接口，兩線均接有 2.2kΩ上拉電阻 ；P4 不作為任何接口，僅用于支撐。

3 自適應通信協(xié)議設計

在設計的無線傳感網(wǎng)絡中，節(jié)點主要由基板及安裝在基板上的若干個傳感器模塊組成，每個節(jié)點利用無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或中繼，將無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，從而實現(xiàn)異構網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信 [6]。由于無線傳感器網(wǎng)絡存在眾多節(jié)點，為了提高節(jié)點間、節(jié)點與計算機間的通信效率與可靠性，對它們的通信方式制定了統(tǒng)一協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定通信雙方采用數(shù)據(jù)包的通信格式：基板將收到的傳感器信息（主要包含傳感器類別、傳感器類型、傳感器名稱、傳感器模塊地址、傳感器數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)內容）打包成數(shù)據(jù)包，然后配以數(shù)據(jù)頭、校驗碼與停止位等特殊命令字，再把該數(shù)據(jù)包當成一幀數(shù)據(jù)進行信息交換，逐幀進行數(shù)據(jù)傳輸即可實現(xiàn)兩者間的持續(xù)通信。

基板與傳感器模塊具體的通信協(xié)議定義如下：

數(shù)據(jù)頭（2 B）+ 數(shù)據(jù)長度（1 B）+ 命令標識符（1 B）+節(jié)點地址（2 B）+ 傳感器類別 1（1 B）+ 傳感器類型 1（1 B）+ 傳感器名稱 1（1 B）+ 傳感器模塊地址 1（1 B）+ 傳感器數(shù)據(jù)長度 1（1 B）+ 數(shù)據(jù)內容 1（m B）+ 傳感器類別 2（1 B）+ 傳感器類型 2（1 B）+ 傳感器名稱 2（1 B）+ 傳感器模塊地址 2（1 B）+ 傳感器數(shù)據(jù)長度 2（1 B）+ 數(shù)據(jù)內容 2（mB）+ + 傳感器類別 n（1 B）+ 傳感器類型 n（1 B）+ 傳感器名稱 n（1 B）+ 傳感器模塊地址 n（1 B）+ 傳感器數(shù)據(jù)長度 n（1 B）+ 數(shù)據(jù)內容 n（m B）+ 校驗碼（1 B）+ 停止位（1 B）

4 檢測系統(tǒng)實驗結果分析

根據(jù)不同傳感量的采集需求，在各基板上堆疊多種傳感器模塊，設置好基板與傳感器模塊的硬件地址，然后將無線通信模塊安裝在基板上并配置好通信模式，完成傳感節(jié)點的裝配。將各傳感節(jié)點安裝在不同的監(jiān)控區(qū)域內，接通電源，搭建好無線傳感網(wǎng)絡后，各傳感節(jié)點開始工作。

以其中一個堆疊有水銀開關、煙霧、DHT11 溫濕度三種傳感器模塊的傳感節(jié)點為例，獲取某時刻這三種傳感器數(shù)據(jù)的采集情況，基板將這三種傳感器數(shù)據(jù)整合為數(shù)據(jù)幀的結果， 見表 1 所列。

上位機接收到基板整合的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀內 容，可檢測出此時相應監(jiān)控目標的狀態(tài) ：該傳感節(jié)點為 1 號節(jié) 點，工作模式為連續(xù)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送 ；堆疊的第一層傳感器 為水銀開關傳感器模塊，水銀探頭處于閉合狀態(tài) ；第二層為 煙霧傳感器，傳感器附近的空氣中含有輕微煙霧 ；第三層為 DHT11 溫濕度傳感器，傳感器附近的溫度為 26℃，相對空氣 濕度為 54%。

在不同時間段、不同氣候及地理環(huán)境下，我們對系統(tǒng)的 主要性能參數(shù)進行了反復測試，得出的測試結果見表 2 所列。

由表 2 可知，本裝置能快速識別接入物聯(lián)網(wǎng)內的傳感器， 并能根據(jù)監(jiān)控要求及時作出正確響應，具有易操作、功耗低、 持續(xù)工作時間長及兼容性強等優(yōu)點，能較好地滿足多種監(jiān)控 場所的智能監(jiān)控需求 [7]。

5 結語

本設計基于物聯(lián)網(wǎng)的堆疊式可重構無線傳感裝置，解決 了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)裝置兼容性不強、信息融合度不高、標準不統(tǒng)一 等問題，完成了堆疊式可重構硬件的設計、自適應數(shù)據(jù)交換協(xié) 議的設計，無線網(wǎng)絡構建，模擬量信號、數(shù)字量信號和開關量 信號的采集與處理以及執(zhí)行反饋動作等功能，從而實現(xiàn)傳感 裝置的智能性、靈活性、多樣性與標準化。