黃志武+王曙霞

摘 要： 針對傳統(tǒng)傳感器節(jié)點嵌入方法存在成本較高的問題，提出一種基于S3C2410的高精度傳感器節(jié)點嵌入式設(shè)計方法，首先設(shè)計硬件平臺核心模塊以降低能耗，再對外擴展功能安裝可編程放大器，滿足不同型號信號的放大需求。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合硬件進行模塊設(shè)計，完成軟件的引擎RSSI定位，最終計算出目標傳感器的節(jié)點坐標。實驗結(jié)果證明，所提設(shè)計方法能夠有效提升傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信能力，延長傳感器節(jié)點的使用壽命。

關(guān)鍵詞： S3C2410； 傳感器節(jié)點； 嵌入式設(shè)計方法； RSSI定位

中圖分類號： TN929?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0033?04

Embedded design of high?precision sensor node based on S3C2410

HUANG Zhiwu， WANG Shuxia

（School of Computer and Information Science， Hubei Engineering University， Xiaogan 432000， China）

Abstract： The traditional sensor node embedded method has high cost， so an embedded design method of high?precision sensor node based on S3C2410 is put forward. The kernel module of hardware platform was designed to reduce the energy consumption， and the programmable amplifier was installed for the external extended function to meet the amplification demand of different types of signals. On this basis， the sensor module was designed with hardware to accomplish the positioning of engine RSSI in software， and calculate the coordinate of the target sensor node finally. The experimental results show that the proposed design method can improve the communication ability of the sensor network effectively， and prolong the service life of the sensor node.

Keywords： S3C2410； sensor node； embedded design method； RSSI positioning

0 引 言

隨著設(shè)備應用的復雜化和多樣化，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的嵌入式操作系統(tǒng)成為主要支撐技術(shù)之一[1]。在無線傳網(wǎng)絡(luò)傳感器中，傳感器節(jié)點主要負責采集感知對象的信息[2?3]，對信息進行計算和存儲，以及傳感器節(jié)點之間的相互通信等，由此高精度傳感器節(jié)點的開發(fā)成為了主要研究對象。文獻[4?5]中設(shè)計的傳感器節(jié)點在電源儲存能量、快速通信能力以及計算和存儲能力等方面都十分有限，文獻[6]需要設(shè)計出符合硬件資源傳感器節(jié)點的操作系統(tǒng)，才能實現(xiàn)對傳感器節(jié)點硬件資源的有效管理，其節(jié)點設(shè)計過程繁瑣。文獻[7]有效縮短了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的周期，但其存儲空間較小。文獻[8]提出一種面向無線網(wǎng)絡(luò)應用的傳感器節(jié)點，可以根據(jù)具體的應用平臺對軟硬件進行裁剪，能夠快速建立專用的傳感器節(jié)點，但是該方法存在開發(fā)成本較高的問題。文獻[9]研究出一種實時傳感器操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應用于8～64位單機不同類型的傳感器節(jié)點系統(tǒng)。系統(tǒng)的實時性和可靠性較高，但穩(wěn)定性較差，實際應用性不高。文獻[10]通過分析節(jié)點誤差設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點，采用諧波分析法確定誤差的主要頻率次數(shù)，有針對性的設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間隔特定角度的探測頭結(jié)構(gòu)，探測頭值間采用的是數(shù)字相加的數(shù)據(jù)處理方式，其測量準確度較低。

針對上述問題，結(jié)合傳感器節(jié)點自身的特點，提出硬件設(shè)計結(jié)合軟件定位方法的高精度傳感器節(jié)點嵌入式設(shè)計。首先設(shè)計傳感器模塊并控制模塊能耗，在外部擴展功能接口放置一個編程放大器，可滿足不同型號傳感器的信號放大需求，再利用軟件基于RSSI定位算法進行嵌入式傳感器節(jié)點定位。通過該方法可以對S3C2410進行高精度傳感器節(jié)點嵌入式設(shè)計。

1 S3C2410高精度傳感器節(jié)點嵌入式設(shè)計

1.1 嵌入式傳感器節(jié)點的硬件平臺設(shè)計

依據(jù)節(jié)點設(shè)計原則，將應用傳感器節(jié)點硬件平臺分為如下四個模塊：

（1） 傳感器核心模塊。主要包括處理器和外存儲芯片，主要負責對傳感器數(shù)據(jù)進行信息采集、處理以及儲存。

（2） 傳感器節(jié)點和外擴展功能接口模塊。主要提供多種傳感器和模擬式傳感器通信接口，能方便傳感器節(jié)點以及其他功能擴展。

（3） 傳感器通信模塊。主要包括無線網(wǎng)絡(luò)模塊和接口，由此完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。

（4） 傳感器電源模塊，傳感器節(jié)點工作室提供電源，傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1 核心模塊設(shè)計

（1） 處理器

處理器是傳感器節(jié)點工作時的核心零部件，不僅能控制節(jié)點，還是擴展和實現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)。該節(jié)點設(shè)計應用三星公司的S3C2410處理器。對于高性能以及低功耗應用內(nèi)核，S3C2410頻率為64 MHz，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，它有豐富的外接口，內(nèi)含多個SPI接口和USB接口，方便傳感器節(jié)點擴展功能；同時，具有12位轉(zhuǎn)換器，不需要再外接轉(zhuǎn)換芯片，減小了外圍電路的復雜程度。此外，S3C2410具有多種低功耗模式，可利用實時時鐘進行喚醒工作，有效降低了節(jié)點功耗。

（2） 傳感器無線收發(fā)模塊

傳感器無線收發(fā)模塊采用DIGI公司的XBee模塊，此模塊工作于ISM 2.6 GHz頻段，該數(shù)據(jù)傳輸速度高達260 KB/s，內(nèi)部存有兼容協(xié)議，能夠滿足低功耗和低成本的無線傳感器需求，傳感器通信距離遠，室外可達2 000 m，模塊合成度高，開發(fā)和使用都很便利。XBee模塊工作時的電壓為2.7～3.3 V，利用串口和S3C2410進行通信，XBee模塊與處理器的接口如圖2所示。

為了降低傳感器節(jié)點的功耗，使用該模塊時需要注意兩個問題：一是在不受通信距離影響的情況下，盡可能降低發(fā)射功率；二是在發(fā)射完成后，把節(jié)能控制引腳和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳設(shè)置為0，這樣能夠有效降低XBee模塊的功耗。

1.1.2 傳感器和外擴展功能接口模塊

接口模塊主要對外接傳感器提供接口，此接口具有一個針對傳感器應用的可編程放大器。目前還沒有準確的通信總線應用于這個模塊上，但調(diào)查結(jié)果顯示，SPI外圍接口和HC總線能廣泛應用于大多數(shù)測量傳感器中，具有一定的實用性。因此，接口的引腳包括傳感器電源接口、傳感器節(jié)點數(shù)字接口、傳感器模擬接口、HC接口、SPI接口和模擬信號接口各一個，其他為可配置的通用口，圖3為SPI和HC接口同傳感器連接的示意圖。

可編程放大器主要對模擬傳感器信號進行放大，可以選擇可編程功能進行倍數(shù)放大，能夠滿足不同信號的放大需求。該芯片采用韓國微芯公司生產(chǎn)的S3C2410芯片，有8個可選擇的增益能在多個通道之間進行切換，該芯片具有足夠的靈活性，能夠簡化部分模擬電路，滿足嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的設(shè)計要求。

1.2 傳感器節(jié)點的定位方法

在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點中，已知傳感器節(jié)點的周期性目標節(jié)點發(fā)射信號，傳感器目標節(jié)點依次對接收信號采樣后進行存儲。S3C2410集成了硬件定位引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)準確定位，利用硬件對移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的坐標進行計算，因此降低了能耗。S3C2410嵌入的定位引擎采用基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）的定位方法。等獲得足夠數(shù)量的傳感器節(jié)點信息后，通過該定位算法計算目標傳感器節(jié)點中的坐標。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依據(jù)其他傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置信息，利用式（1）得出傳感器節(jié)點：

[Hopsize=（xi-xj）2+（yi-yj）2HopSij] （1）

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將均勻分布在整個網(wǎng)絡(luò)，未知的節(jié)點記錄第一個節(jié)點，并向其他傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。未知的節(jié)點接收到傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，依據(jù)記錄的節(jié)點信息，按式（2）得出未知節(jié)點到其他節(jié)點之間的距離：

[Li=Si×Hopsize] （2）

假設(shè)待定位節(jié)點與傳感器節(jié)點間的距離為[dij]，那么每個傳感器節(jié)點之間的距離為待定位節(jié)點的距離向量，通過對節(jié)點進行采集，構(gòu)造并求解最優(yōu)化節(jié)點：

[Hopsize=min 12ω2+γ12i=1mξ2] （3）

當前傳感器節(jié)點可以用許多函數(shù)求解，函數(shù)具有參數(shù)通用性強等優(yōu)點，具體定義為：

[K（RM，RN）=exp-RM，RN2σ22] （4）

通過引入未知節(jié)點[a]和[b]，將式（3）轉(zhuǎn)化為對偶問題，即：

[0I T1 Ω+γ-1Iba=0x] （5）

由此可得出[a]和[b]，則傳感器節(jié)點的函數(shù)為：

[x=i=1maiK（RI，RJ）+b] （6）

每個傳感器節(jié)點的距離為[D，]構(gòu)成了距離向量，將其作為決策函數(shù)的輸入向量，可得未知節(jié)點[S]的坐標值，已知[S]的坐標值，則依據(jù)兩點之間的距離公式可得：

[（x-x1）2+（y-y1）2=d21（x-x2）2+（y-y2）2=d22 ?（x-xn）2+（y-yn）2=d2n] （7）

采用式（7）可將傳感器節(jié)點方程轉(zhuǎn)化為：

[2（x1-xn）x+2（y1-yn）y=x21-x2n+y21-y2n-d21+d2n2（x2-xn）x+2（y2-yn）y=x22-x2n+y22-y2n-d22+d2n] （8）

由式（8）可得線性傳感器節(jié)點的表達式為：

[AX=b]

其中：

[X=（x，y）τ]

[A=2（x1-xn） 2（y1-yn）2（x2-xn） 2（y2-yn）2（xn-1-xn） 2（yn-1-yn）] （9）

那么由未知傳感器節(jié)點[P（x，y）]的位置信息可得到解向量為[X=（ATA）-1ATb]，由上述結(jié)論可知，該節(jié)點定位方法應用于嵌入式S3C2410的高精度傳感器節(jié)點中可以取得明顯成果。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗實驗

實驗設(shè)計：電壓為2 V，無線射頻為2.403 GHz，射頻功率為0 dBm。表1為傳感器節(jié)點在穩(wěn)定情況下消耗電流的情況。

對比表1和表2測試實驗得到的數(shù)據(jù)能夠看出，本文提出的傳感器節(jié)點的能耗和其他幾種典型的傳感器節(jié)點相比，能耗相對較低。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量主要消耗在無線網(wǎng)絡(luò)通信上。鑒于S3C2410的射頻功率是可以編程的，減小了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功率并降低了能耗。因而通過降低射頻功率，減少傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的傳輸次數(shù)，縮短傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信距離，不但能降低單個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗，同時對于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來說，可以平衡傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗。在路由選擇控制中優(yōu)先使用能量剩余多的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，延長了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點壽命。

2.2 對RSSI算法進行實驗結(jié)果分析

RSSI值（信號強度）主要反映接收無線信號強度與距離的關(guān)系，由此可以測量傳感器之間的距離。因為RSSI值容易受外界環(huán)境影響，不同環(huán)境的差別較大。如果想要正確的使用RSSI值，需要提前測出與RSSI值相關(guān)的參數(shù)。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會因其他原因退出無線網(wǎng)絡(luò)，這時就能夠依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的RSSI值了解現(xiàn)有被監(jiān)測區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋的區(qū)域情況，便于安排新的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入到無線網(wǎng)絡(luò)中去，達到優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點功能的目的。

實驗環(huán)境：附近沒有障礙物的室外操場。

實驗設(shè)計：發(fā)射節(jié)點的射頻功率為0 dBm；隨時可以觀察到傳感器節(jié)點與發(fā)射節(jié)點間距離的變化，傳感器接收節(jié)點獲取的RSSI值也會隨之改變。圖4為傳感器接收節(jié)點獲取RSSI值的變化情況圖。圖5為傳感器接收節(jié)點的RSSI值與10lg[p]（[p]代表發(fā)射功率）的關(guān)系。

從圖4能夠看出，隨著發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離越遠，RSSI值就越小。從圖5能夠看出RSSI值和發(fā)射功率之間存在線性關(guān)系，信號強度與發(fā)射功率成正相關(guān)關(guān)系，隨著發(fā)射功率的增加，接收到的RSSI值（信號強度）也隨之增加，且使用本文設(shè)計的高精度傳感器嵌入式節(jié)點，其實際測試得出的RSSI值與發(fā)射功率關(guān)系與理論變化曲線基本吻合，驗證了本文設(shè)計嵌入式節(jié)點的有效性。

綜上所述，一般傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信距離為較大的網(wǎng)絡(luò)通信距離。在布置無線網(wǎng)絡(luò)傳感器時要注意測試較大的通信距離，不能盲目地去布置傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點?？刂朴行У耐ㄐ啪嚯x對進行S3C2410的高精度傳感器節(jié)點進行嵌入式設(shè)計具有重要的意義。

3 結(jié) 論

本文研究了基于嵌入式傳感器節(jié)點芯片S3C2410的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的實踐意義。本文分析了嵌入式操作系統(tǒng)在傳感器節(jié)點中設(shè)計的必要性，并提出如何對高精度傳感器節(jié)點進行嵌入式設(shè)計，以此對S3C2410高精度傳感器節(jié)點進行定位實驗。實驗結(jié)果表明，本文提出的定位方法對S3C2410高精度傳感器節(jié)點的嵌入式設(shè)計具有重大意義。

參考文獻

[1] 趙丹，肖繼學，劉一.智能傳感器技術(shù)綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（9）：4?7.

[2] 梁琴琴，趙志耘，趙蘊華.全球MEMS傳感器技術(shù)創(chuàng)新現(xiàn)狀與趨勢：基于2000?2014年專利分析[J].科技管理研究，2016，36（10）：165?169.

[3] 陳尚，曹曉瑞，陳永強，等.纖毛式MEMS傳感器技術(shù)研究[J].傳感器世界，2014，20（12）：14?19.

[4] 王碩，趙藝杰，陸旸.食品安全檢測中分子印跡聚合物傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].食品科學技術(shù)學報，2015，33（4）：1?5.

[5] 賈志峰，朱紅艷，王建瑩，等.基于介電法原理的傳感器技術(shù)在土壤水分監(jiān)測領(lǐng)域應用探究[J].中國農(nóng)學通報，2015，31（32）：246?252.

[6] 易容，張海平.基于加速度計傳感器技術(shù)的老年人日常體力活動與能量消耗的研究[J].中國老年學，2016，36（4）：918?919.

[7] 李慕峰，王煥娟，李云龍.傳感器技術(shù)在電網(wǎng)中的應用評述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（9）：8?10.

[8] 任蕾，林鑫偉.“傳感器技術(shù)”和“信號與系統(tǒng)”課程的交叉教學[J].電氣電子教學學報，2016，38（2）：18?20.

[9] 姜春艷，陳為.校企合作建設(shè)傳感器技術(shù)及應用課程的研究與實踐[J].職業(yè)時空，2014，10（11）：53?55.

[10] 李海俠.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用現(xiàn)狀及相關(guān)傳感器技術(shù)概述[J].電子元件與材料，2014，33（2）：88?89.