摘 要： 利用嵌入式系統的良好移植性和配置靈活性設計了一種智能傳感節點，能夠在本地或遠程對接入的傳感器進行管理配置，使傳感器網絡的使用和管理更加便捷和有效。
關鍵詞： 傳感器；傳感器網絡；智能傳感節點；嵌入式系統
隨著各行業信息化的加速及物聯網技術的不斷發展，傳感器及傳感器網絡的部署不斷加速發展。傳感節點作為傳感器網絡的數據匯集節點和傳感器接入及管理節點，承擔著數據收發、節點管理及與上層網絡的通信功能，在傳感器網絡中起著至關重要的作用。傳感器網絡結構示意圖如圖1所示。傳感器節點（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）匯集到一個傳感網絡節點，構成一個星形傳感器網絡。傳感器節點負責管理與之相連接的傳感器設備，并將傳感器采集到的數據通過互聯網絡發送到數據庫存儲以供應用層連接使用。
智能化的傳感器節點可有效提高傳感器網絡的管理效率和優化傳感器網絡配置。本文基于嵌入式系統，設計了一種可遠程管理配置傳感器設備的智能傳感節點，以提高傳感器網絡的管理和使用效率。
1 智能傳感節點功能與原理
傳感器節點的功能定位是對下接入數字通信型傳感器或模擬式傳感器（可選），自動掃描識別接入的傳感器設備，并遠程對其進行需要的配置。配置完成后，轉入正常工作狀態，接收傳感器采集來的數據，并按照通信協議規范將數據通過網絡通信接口送到上層應用網絡，圖2所示為智能傳感器節點一般原理示意圖[1-3]。
根據功能需求，傳感節點主要由可選的接入傳感器信號調理、網絡通信接口、微控制器和供電模塊部分組成。如圖2所示[4]，可選標準化信號接口與調理模塊適用于直接接入模擬傳感器，以太網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字化的傳感器及連接互聯網。RS-232也可用于接入傳感器，但主要用于智能傳感節點的終端調試。
微處理器采用基于ARM11架構的三星S3C6410嵌入式處理器[5]。S3C6410是一個16/32位RISC微處理器，還為2.5G和3G通信服務提供優化的H/W性能，支持USB主設備及USB OTG功能，支持UART、I2C總線，提供SPI、GPIO接口和MMC/SD主設備。
微處理器除了承擔傳感器接入識別及通信外，還可以運行基于嵌入式Web服務的配置和管理程序。由于本傳感器節點可將傳感器及其組成的傳感網絡接入到現有的互聯網絡，從而實現數據遠程轉發的作用，因此，本傳感器節點也可稱之為傳感路由器。
2 硬件模塊設計
2.1信號接口調理模塊
限于篇幅，本文只說明了電流信號接口模塊的設計。圖3所示為電流信號接口調理電路原理框圖。由于S3C6410內部自帶一個具有8通道模擬輸入的10 bit/12 bit ADC轉換模塊，在5 MHz的ADC時鐘下，最大轉換率是1 MS/s，ADC轉換器帶有片上采樣保持功能，且支持電源休眠模式。本設計采用了S3C6410內部自帶的ADC轉換模塊。圖4所示為電流-電壓信號變換/放大電路，輸入的電流由100 Ω精密負載電阻變換為電壓信號，由同向放大電路放大至ADC轉換所需要的電平，增益可以由電位器來進行微調。運放采用AD8551芯片，其在低壓差單電源情況下表現完美，具有極低失調電壓（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800 mA。
2.2 通信接口模塊
圖6所示為Ethernet網絡通信接口電路原理圖，是智能傳感節點與上層數據庫服務器進行通信的主要方式，也是本地或遠程訪問智能傳感器的通信方式。以太網主控芯片采用ENC28J60，通過SPI串行口與微控制器相連。ENC28J60是帶有行業標準串行外設接口的獨立以太網控制器，采用了一系列包過濾機制以對傳入的數據進行限制，內部還提供了一個DMA模塊，以實現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算，與微處理器通過兩個中斷引腳和SPI實現，數據傳輸速率高達10 Mb/s。
3 嵌入式系統及Web服務構建
3.1系統內核的構建
智能傳感節點采用的微處理器芯片是Samsung S3C6410，是一款基于ARM11內核能夠運行嵌入式系統的移動式智能處理器[5]。本設計采用嵌入式Linux操作系統，負責管理傳感器的接入、數據采集、網絡通信及提供Web服務等。系統內核基于linux-2.6.36版本進行裁減移植[6-7]，主要保留了系統運行內核、電源檢測管理、通信接口驅動、網絡服務相關的部分。添加了ADC驅動，Wi-Fi、Bluetooth、3G、ZigBee等無線通信協議及驅動[8]、修改了部分硬件驅動，經廣州友善之臂公司提供的交叉編譯工具arm-linux-gcc-4.3.2完成內核重新編譯，并制作根文件系統。最后將映像文件下載到SD/MMC卡中，并設置系統從SD/MMC引導啟動[9-11]。
3.2 嵌入式輕量級Web服務構建
為便于通過智能傳感節點對傳感器進行遠程配置管理和對傳感節點進行管理設置，在智能傳感節點嵌入式操作系統中配置了小型輕量級Web服務boa引擎[12]，通過CGI程序getpara.cgi、setpara.cgi、scan.cgi分別讀取傳感節點的配置信息、更改配置信息和掃描接入的傳感設備，從而實現遠程管理傳感設備和傳感節點。圖7為使用360安全瀏覽器通過內網IP地址訪問智能傳感節點查看節點信息的頁面，左邊導航欄可分別掃描接入的傳感設備、查看節點配置信息和更改節點配置信息等。智能傳感節點通過執行通用網關Web服務器程序scan.cgi發送統一的狀態查詢命令CMD_SCAN（0x01），各接入的傳感器設備接收到此命令后，返回一條確認信息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；通過執行getpara.cgi程序可將當前選中的傳感設備的配置信息讀取出來并顯示在頁面上；同樣，通過執行setpara.cgi程序可對當前的傳感器設備進行參數配置；根據需要還可編寫其他功能的CGI程序來完成相應的管理或配置功能。由于這些工作是通過Web網絡瀏覽器來完成的，因此可在本地或遠程通過IP地址訪問智能傳感節點來實現傳感器設備的配置與管理。
智能化的傳感節點在傳感器網絡中承擔著網絡的維護和傳感器或傳感節點的管理及配置作用。在提高傳感器網絡的運行效率，實現數據的采集與傳輸及通過能效管理以延長傳感器網絡使用壽命等方面都具有至關重要的作用。本文設計開發的基于嵌入式系統的智能傳感節點，可實現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備。構建的輕量級Web服務可在本地或遠程對接入的傳感器設備進行管理配置，提高了傳感器網絡的智能化管理和運行效率。本文下一步的工作是不斷完善智能傳感節點的硬件設計與軟件開發，增加對傳感器設備狀態進行管理和監測、數據轉發控制與處理功能，使其智能化、低功耗和高可靠等性能不斷提高。
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