楊樂丹,余厚全，陳光建，程峰，屈凡，陳強，陳肖宇

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)(中國石油測井集團有限公司，陜西 西安 710077)(華北理工大學建筑工程學院，河北 廊坊 063210)

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上拓展而形成的一個萬物相連的網(wǎng)絡，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與真實物理世界連接的設備就是物聯(lián)網(wǎng)終端。該終端是連接傳感網(wǎng)絡層與傳輸網(wǎng)絡層的關鍵設備，一方面實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)采集并向網(wǎng)絡層發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方面接收網(wǎng)絡發(fā)來的信息，對物理世界的對象進行管理和控制。因此，物聯(lián)網(wǎng)終端是構建物聯(lián)網(wǎng)的關鍵設備。

盡管實際物理世界的測控需求和被測控對象有較大的差異性，但本質(zhì)上都是對實際信號的檢測和物理對象的控制。因此，物聯(lián)網(wǎng)終端應具有多種模擬和數(shù)字的輸入輸出通道、快速的傳輸速率、更高的硬件集成度與可靠性等特點，以便滿足一般實際應用的需求。目前，國內(nèi)已有大量的終端解決方案，這些方案一般都采用MCU控制芯片+WiFi通信模塊的模式，控制芯片通過串行接口與WiFi模塊相連實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信。該模式雖然能夠使終端設備具有接入網(wǎng)絡的能力，但通過串行接口連接MCU模塊和WiFi模塊的工作方式會導致終端設備集成度不高、通信速度受限等。為此，針對物聯(lián)網(wǎng)應用不斷提高的需求和上述方案存在的問題，筆者提出了一種基于CC3200的物聯(lián)網(wǎng)多功能測控終端解決方案。該方案采用業(yè)內(nèi)第1個具有內(nèi)置WiFi子處理器的單片微控制器單元CC3200，其具有多個模擬和數(shù)字輸入輸出通道和高速的WiFi網(wǎng)絡接入功能，可以大大提高終端集成度，為各種不同需求場景提供了更好的解決方案。

1 CC3200簡介

CC3200是TI公司專門針對物聯(lián)網(wǎng)應用推出的單片無線MCU。該芯片內(nèi)部采用雙核心架構：一個為應用微控制器，是一個運行頻率為80MHz的行業(yè)標準ARM Cortex-M4內(nèi)核，負責對整個系統(tǒng)進行管理；另一個為WiFi網(wǎng)絡子處理器，獨立承擔WiFi數(shù)據(jù)通信任務，完全解除應用微控制器的處理負擔，使CC3200具有高達3MB/s的網(wǎng)絡接入傳輸速率[1～3]。

CC3200芯片提供了多達27個獨立可編程的、通用的輸入輸出引腳，方便用戶根據(jù)應用需求，通過軟件將這些引腳定義成不同的通信接口(如UART、SPI和I2C等)，實現(xiàn)與外界的連接與通信。該芯片內(nèi)部設置了一個12位AD轉換器，通過片內(nèi)復用，對外提供了4個模擬信號輸入通道，以方便用戶對采集的模擬信號數(shù)字化。此外，CC3200還提供了4個通用定時器輸出，通過對16位脈寬定時器的設置，不僅可以用于外部定時，還可產(chǎn)生16位脈寬的PWM調(diào)制信號，用于對外部設備對象的調(diào)速控制。CC3200芯片提供了應用微控制器與網(wǎng)絡子處理器的API接口，避免了開發(fā)人員查閱芯片手冊的繁復工作，為基于芯片的二次開發(fā)帶來了極大方便，完全滿足終端設計的一般需求。相比于目前的解決方案，該芯片用于物聯(lián)網(wǎng)終端的開發(fā)具有功能強、速率快和集成度高的優(yōu)點。

2 測控終端總體方案設計

基于CC3200多功能測控終端應具有物理參量檢測、設備對象控制和網(wǎng)絡接入3個基本功能，其總體設計方案如圖1所示。

圖1 測控終端總體設計方案

設計方案由3部分組成，分別是CC3200核心控制處理模塊，輸入檢測調(diào)理模塊和輸出控制驅動模塊。CC3200通過片內(nèi)的WiFi子處理器完成網(wǎng)絡的接入，接收來自網(wǎng)絡側的命令，通過片內(nèi)處理器對其進行解析，按設計的流程控制輸入信號的采集，實現(xiàn)對外部設備對象的控制，同時將檢測的數(shù)據(jù)通過WiFi子處理器接入網(wǎng)絡，上傳至網(wǎng)絡服務器。輸入檢測調(diào)理模塊通過傳感器檢測真實世界的物理量，如果傳感器為模擬傳感器，則對檢測信號進行必要的信號調(diào)理(如放大、濾波等)；如果傳感器為數(shù)字傳感器，則可以直接連接到CC3200相應的數(shù)字接口。

由于CC3200提供的模擬輸入通道(≤4)和數(shù)字輸入接口數(shù)量有限，當所要求的模擬輸入通道數(shù)或數(shù)字輸入通道數(shù)大于CC3200所能提供的輸入接口最大值時，就需要通過模擬多路復用和數(shù)字多路復用的方法進行接口擴展。輸出控制驅動模塊根據(jù)被控對象的控制要求，對CC3200輸出的開關信號和PWM信號進行相應的變換和功率放大。同理，如果采用開關量的被控對象過多，為節(jié)省CC3200的接口資源，采用串入并出的輸出數(shù)字開關信號寄存器擴展接口。

3 終端硬件設計

終端檢測的信號一般為二維的圖像信號和一維的物理時變信號，而輸出的控制一般為狀態(tài)開關控制和對象速度控制[4]。考慮一般應用，設計的終端硬件能夠掛接數(shù)字溫濕度傳感器、位置傳感器、姿態(tài)傳感器和圖像傳感器等，提供4路模擬信號檢測通道，用于掛接模擬傳感器，同時產(chǎn)生多路開關控制輸出量和2路PWM控制輸出。為此，通過軟件編程，將CC3200的27個獨立的I/O引腳定義為1個UART、1個I2C、8位并行攝像頭數(shù)據(jù)接口及4通道12位ADC、3位編碼的數(shù)字開關量接口以及2路PWM輸出[5]。用戶可根據(jù)實際情況選用，完成所需的測控任務。

圖2是終端硬件電路原理圖。首先，選用易于連接的DHT11溫濕度數(shù)字傳感器，對環(huán)境的溫度與濕度進行檢測。其次，選用S1216F8-BD-V23定位模塊提供終端的位置信息，該模塊采用GPS/北斗定位，通過UART直接輸出終端的經(jīng)度、緯度、高度信息。

為了獲取監(jiān)控圖像，終端選用Micron公司生產(chǎn)的CMOS攝像頭MT9D111進行二維圖像信號采集。該攝像頭模塊具有200萬像素，最高可達15幀/s速率的輸出圖像。CC3200通過內(nèi)部I2C接口模擬SCCB時序完成對攝像頭輸出圖像的質(zhì)量與數(shù)據(jù)格式的配置，并在攝像頭輸出數(shù)據(jù)鎖存時鐘(pCLK)、行同步信號(HS)、幀同步(VS)信號控制下，通過8位并行數(shù)據(jù)線讀取一幀圖像數(shù)據(jù)。

圖2 終端硬件電路原理圖

由于CC3200內(nèi)置ADC的4通道輸入引腳與接收攝像頭的3條輸入數(shù)據(jù)引腳和一個使能引腳是復用的，因此采用ADG5434四路二選一多路復用器實現(xiàn)引腳復用。該器件內(nèi)置4個獨立的單刀雙擲開關，CC3200通過GPIO_00輸出電平控制選通，實現(xiàn)芯片的4個引腳分時采集一維模擬信號和接收數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

此外，CC3200分配了4條GPIO引腳用于產(chǎn)生輸出的開關控制變量，其中3條引腳直接輸出開關控制信號到相應的控制對象，另一條引腳作為一個串行輸出接口連接到8位串入并出移位寄存器，經(jīng)輸出開關量擴展到11位。

4 終端軟件設計

CC3200的主核Cortex-M4內(nèi)部沒有內(nèi)存管理單元，無法創(chuàng)建線程的方式安排多個任務并行執(zhí)行，所開發(fā)的終端應用程序只能采用輪循機制安排多任務順序執(zhí)行[6，7]。程序流程如圖3所示。終端上電工作后首先對自身控制芯片內(nèi)部進行初始化，CC3200通過配置寄存器完成各類外設的初始化，其中包括GPIO功能復用及定時器參數(shù)與中斷函數(shù)初始化。網(wǎng)絡功能的配置與網(wǎng)絡通信都是由主核調(diào)用API函數(shù)驅動WiFi子處理器來完成，若多次配置失敗則建立網(wǎng)絡故障標志通知用戶。終端通過發(fā)送注冊信息來向遠程告知自身設備的網(wǎng)絡位置并獲得合法性認證，遠程下發(fā)的消息都會被WiFi子處理器保存在自身緩存隊列中供主核讀取并解析。終端接收到控制命令則輸出控制信號，若收到注冊響應后立即更新注冊狀態(tài)，注冊通過則將采集終端檢測數(shù)據(jù)存入FLASH并向遠程發(fā)送。若未通過注冊，終端會向遠程重復發(fā)送注冊消息執(zhí)行上述流程，在多次未通過注冊的情況下，終端會建立注冊失敗標志告知用戶。

5 試驗測試與結果分析

為驗證終端設計的可行性與穩(wěn)定性，采用市場上開源、穩(wěn)定、成熟的LAMP平臺構建一個網(wǎng)絡服務器，對終端設備進行測試。服務器向終端發(fā)送命令消息，接收并存儲終端發(fā)回的數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)頁即時顯示檢測的數(shù)據(jù)，了解終端的動態(tài)，控制終端設備的運行。

測試中，選取了3個不同的位置作為被測點，部署安裝了設計開發(fā)的網(wǎng)絡測控終端。它們通過網(wǎng)絡，與后臺服務器建立通信連接。每個終端根據(jù)選定的時間間隔(如10s)，定時采集本終端所有傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，添加相應的數(shù)據(jù)幀頭，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺服務器。后臺服務器接收數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫。在終端正常工作時，Web實時調(diào)用數(shù)據(jù)庫中終端的信息，定時刷新頁面，將得到的最新信息即時在界面顯示出來。

圖3 主控程序流程

圖4 終端狀態(tài)信息

圖4給出了3個觀測點的地圖位置，2個在線(紅色)，1個離線(灰色),根據(jù)各終端實際采集的最新定位信息確定，其檢測的位置數(shù)據(jù)與實際位置的誤差不超過0.5m。為了驗證終端采集數(shù)據(jù)實時性與可靠性，采用溫濕度調(diào)整設備對測控終端所處的環(huán)境溫濕度進行改變，檢測的溫濕度數(shù)據(jù)即時地反映到網(wǎng)頁上(變化曲線如圖5所示)，很好地反映了觀測點溫濕度的變化。

圖5 測控終端檢測信息顯示結果

圖6 測控終端輸出PWM信號

終端能夠接收來自服務器的不同命令進行響應，如輸出控制信號或設備的啟停等。圖6為示波器顯示終端輸出的控制信號，它們是輸出電壓3.3V、占空比分別為50%與25%的PWM信號。

6 結語

筆者根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)測控終端的基本需求和一般功能，針對目前市場上網(wǎng)絡測控終端存在的設備集成度低與通信速率慢等問題，設計了基于CC3200的物聯(lián)網(wǎng)多功能測控終端方案，開發(fā)實現(xiàn)了相應的終端硬件與軟件。測試結果表明，終端能按照需求掛接多種傳感器工作，且設備集成度高，可以滿足于一般性的需求，為物聯(lián)網(wǎng)提供了更好的解決方案