基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计
张希洋+曹国强+梁峰+栾美娟
摘 要： 针对传统的嵌入式智能无线传感器存在控制精度差、效率低的问题，通过对现有无线传感网络进行分析，对无线传感节点通信协议进行改进，提出对无线传感器网络介质访问和路由的具体方案并给出代码描述，设计了一种基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器。对传感器的硬件部分进行分析，给出软件设计实现步骤，最后进行实验分析。仿真实验结果证明，提出的方法解决了无线传感器中异构接口转换的问题，提高了单片机控制的工作效率，具有一定的应用价值。
关键词： 单片机控制； 嵌入式传感器； 异构接口转换； 无线传感器网络
中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0080?03
Abstract： The traditional embedded intelligent wireless sensor has the problems of poor control precision and low efficiency. The existing wireless sensor networks are analyzed， and the communication protocol of wireless sensor nodes is improved to propose the specific scheme for wireless sensor network medium access and routing scheme， and give the code description. An embedded intelligent wireless sensor based on SCM control was designed. The hardware of the sensor is analyzed. The implementation steps of the software design are given. The experimental analysis of the sensor was performed. The simulation experiment results show that the method can solve the problem of heterogeneous interface conversion in wireless sensor network， improve the work efficiency of SCM control， and has a certain application value.
Keywords： SCM control； embedded sensor； heterogeneous interface conversion； wireless sensor networks
0 引 言
進入21世纪，单片机以其高效、节能等特点[1]在各个方面得到了广泛的应用，然而，在科技迅速发展的今天，单一的单片机应用已经不能更好地满足工作需求。
无线传感器与单片机结合具有非常广阔的应用前景，通过无线传感技术嵌入计算机技术及与现代的网络进行通信融合[2]，能够实时对单片机进行控制、监测，具有很高的潜在价值[3]。
由于采用面向应用领域这一特殊性来辅助本文的研究，因此使嵌入式智能无线传感器具有更好的工作性能[4?5]。除此之外，基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器很好地解决了异构系统接口混乱的复杂问题[6?7]。同时，基于单片机控制的无线传感器节能效果十分好，并且对无线复杂情况变化有很强的应急能力[8?9]。
为此，本文提出一种基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计方法，通过无线传感网络体系结构进行分析，设计出传感节点之间组成的硬件需求，通过对WSN通信协议进行设计，实现数据传递控制过程中数据校验和通信数据命令的软件实现。仿真实验结果证明，本文提出的方法提高了单片机控制的工作效率，具有一定的应用价值。
1 硬件设计
在对无线传感器网络进行设计的过程中，信息节点和处理中心的SINK节点是核心关键组成部分。
1.1 无线传感网络节点
无线传感网络是一个小型的嵌入式系统，节点命名方式很多，但大多的原理相似，只是采用不同的处理器和通信协议进行区分。
1.1.1 节点组成
无线传感器网络的节点组成如图1所示。
（1） 数据采集部分，不同的传感器，例如，温湿度传感器、速度加速度传感器、压力传感器、震荡传感器依据其监测的目标、信号发生源和监测精度等要求来选择传感器类型。所以，为了便于传感器的研究且使成本下降，本文中采集数据的方法利用软件模拟方法完成，这样使节点更具有一般性的特点。
（2） 数据处理部分，将由软件模拟方法收集的各类数据进行二次处理，并且把节点的关联附加信息也加入到处理过程。另外，在进行二次处理过程的同时，需要完成成帧、差错和校验等后加工处理，同时还包括其他关联的调度与管理操作过程。
（3） 数据生成和处理部分，通过微控制器来实现。最终数据在单片机的控制下进行有序的传输。
（4） 数据传输部分，这部分最关键的作用就是调制传感信号，并在相关协议指导下进行数据发送，是软硬件相互辅助的表现。
（5） 电源部分，其电源的质量需要认真对待，同时，能耗问题也需要着重考虑。
数据采集部分主要实现对所需控制的单片机进行信号监测以及工作动态跟踪，以便于无线传感网络的研究[10?11] ，本文中采用软件模拟方式获取实验数据信息，使节点更具一般性。
数据处理部分主要是针对产生的无线传感数据进行二次处理，对节点信息进行附加，检验和纠正错误数据，并对传感信息进行调度与管理。
数据传输部分主要实现嵌入式智能无线传感信号的校对，在相关协议下完成单片机的智能控制，是连接软件和硬件的重点部分[12?13]。
1.1.2 節点实现
对于无线传感节点的实现主要是数据处理和传输两大部分。
数据处理部分主要应用英特尔公司的I5处理器，该处理器与MSC?51系列产品全部兼容，具有较好的适应性。需要具有支持ISP等系统编程的存储装置和E2PROM的数据存储器。写入速度必须达到32 B/页。8 GB内存8个。系统静态操作时0～24 Hz，电源工作范围为2.7～5.5 V。
在无线传感信号频率为系统输出信号功率为灵敏度为的情况下，系统接收与无线传感网络半径的关系如下：
1.2 SINK节点
信息处理SINK中心节点：一是要具有处理中心的职能，将命令及时下达到各个位置；另一方面要在各个位置进行数据融合后做下一步处理。
SINK节点主要采用S3C44BOX速龙ARM7TDMI内核，功耗较低，基本为静态设计，适用于敏感应用。处理器是ARM公司的66 Hz的DMI处理器，支持ICE调试和代码压缩。SINK节点组成示意图如图2所示。
S3C44BOX集成手持设备及嵌入式系统和基于单片机的应用调试支持的解决方案，采用32位体系结构进行指令，工作速度快，调度能力更强。节点连接采用RS 232接口，9针脚。
综上所述，基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计要在资源消耗有限的情况下，对无线传感器的设计做出调整，进行高效、低能耗地传输、处理数据。
2 软件设计与实现
无线传感器网络对数据采集、处理要求较大，对应用的环境也有较高要求，此外，在嵌入式单片机控制过程中还要求系统反应快，传输功率低。因此，在设计过程中必须要把握适应性和高融合能力。
采用多项式编码，利用生成多项的多个数据检测校验进行编码，编码规则为：设有个数据，添加个校验位，用表示数据位，把进行移动，相当于个校验位空出。即：
由式（4）可知，用除以得出多项式，商为余数为。由此可知：
在编码过程中，采用模2进行运算，在不进行借位的情况下，则有：
即为所求CRC码，应为的整数倍。在检验数据的过程中，CRC编码除以余数为0，说明数据正确，否则为错误。
其算法实现如下：
uintCal_ere（）
{wh1le（1en??=0）
{for（i=0x80：i！=0；i/=2）
{if（（crcl&0x8000）！=0）
{crcl*=2：crcl =0xl021：} //余式CRC乘以2再求CRC
else
{ercl*=2：}
if（（*ptr&i）！=0）crcl= 0X1021： //再加上本位CRC
}
ptr++；}
return（crcl）：}
通过对CRC编码，采用模2运算，以一种空间转换思想实现了无线传感器的快速、高效求解和调度。
3 仿真实验
通过仿真实验来检测本文设计的单片机控制的嵌入式智能无线传感器的性能优劣。
（1） 测试用硬件环境
主机运行核心处理器为：intelcoreTM i7 CPU 3.40 GHz；
主机运行内存：与主板兼容的华硕4.00 GB内存条1个。
（2） 测试用软件环境
计算机为Windows7专业版 64位操作系统；客户端操作系统和服务端操作系统内存均为1 GB，2个CPU。
由于本文主要是对嵌入式智能无线传感器进行设计，首先对无线传感器接收无线网络的数据情况进行测试，结果见图3。通过图3能够发现，随着时间及无线数据量的不断加大，嵌入式单片机接收数据的接收率随之增大。
对无线传感器抗干扰能力进行测试，主要考虑单片机控制过程中对无线信号的检验情况，如图4所示。通过图4能够发现，经过20 min的无线网络数据来看，数据信号较为平稳，未发现重大波动，对数据接收能够达到单片机控制的嵌入式标准。
4 结 论
本文构建了单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计，该系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分主要由信息节点和处理中心的SINK节点组成。软件设计部分主要采用多项式编码。通过仿真实验结果来看，本文设计基本符合工作实际需求，具有较高的可靠性和抗干扰能力。
参考文献
[1] PEREIRA A F C， PONTES M J C， NETO F F G， et al. NIR spectrometric determination of quality parameters in vegetable oils using iPLS and variable selection [J]. Food research international， 2008， 41（4）： 341?348.
[2] CAO Y F， LIU X Y， KONG L， et al. EHR： routing protocol for energy harvesting wireless sensor networks [C]// Proceedings of 2016 IEEE the 22nd International Conference on Parallel and Distributed Systems. Wuhan， China： IEEE， 2016： 56?63.
[3] 刘彬彬，韩光洁，孙洪文.无线传感器网络中基于虚拟点优化的追踪算法[J].微处理机，2017，38（1）：53?56.
[4] 楼婷婷，潘峰.基于无线传感器网络的智能LED灯控制系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（6）：1990?1992.
[5] 张琰.基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计[J].通讯世界，2015，32（20）：49?50.
[6] 徐向艺，王建玺.基于ZigBee无线传感器网络的实验室智能教学系统[J].计算机系统应用，2015，24（7）：63?68.
[7] 郭世璞.基于单片机的无线传感网络通信模块设计与实现[J].信息通信，2016，33（8）：181?183.
[8] 左廷元，陈栋栋，钱浩，等.基于GSM的嵌入式无线远程监控系统设计[J].科技视界，2015，43（22）：206.
[9] 沙刘云.温室大棚嵌入式控制系统设计与实现[J].工程技术， 2016，18（8）：308.
[10] 孙小平，王向东，李树江.嵌入式温室大棚远程监控系统的设计与实现[J].应用科技，2016，43（2）：33?36.
[11] 黄小天，吴晓红，吴小强，等.基于无线传感器技术的实验室监控系统设计[J].微型机与应用，2015，34（4）：4?7.
[12] 戴泽淼，王胜，梁继会.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系统的设计与实现[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2015，32（2）：87?90.
[13] 魏燕达，周卫星.基于6LOWPAN的智能家电监测与控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（14）：101?104.
摘 要： 针对传统的嵌入式智能无线传感器存在控制精度差、效率低的问题，通过对现有无线传感网络进行分析，对无线传感节点通信协议进行改进，提出对无线传感器网络介质访问和路由的具体方案并给出代码描述，设计了一种基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器。对传感器的硬件部分进行分析，给出软件设计实现步骤，最后进行实验分析。仿真实验结果证明，提出的方法解决了无线传感器中异构接口转换的问题，提高了单片机控制的工作效率，具有一定的应用价值。
关键词： 单片机控制； 嵌入式传感器； 异构接口转换； 无线传感器网络
中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0080?03
Abstract： The traditional embedded intelligent wireless sensor has the problems of poor control precision and low efficiency. The existing wireless sensor networks are analyzed， and the communication protocol of wireless sensor nodes is improved to propose the specific scheme for wireless sensor network medium access and routing scheme， and give the code description. An embedded intelligent wireless sensor based on SCM control was designed. The hardware of the sensor is analyzed. The implementation steps of the software design are given. The experimental analysis of the sensor was performed. The simulation experiment results show that the method can solve the problem of heterogeneous interface conversion in wireless sensor network， improve the work efficiency of SCM control， and has a certain application value.
Keywords： SCM control； embedded sensor； heterogeneous interface conversion； wireless sensor networks
0 引 言
進入21世纪，单片机以其高效、节能等特点[1]在各个方面得到了广泛的应用，然而，在科技迅速发展的今天，单一的单片机应用已经不能更好地满足工作需求。
无线传感器与单片机结合具有非常广阔的应用前景，通过无线传感技术嵌入计算机技术及与现代的网络进行通信融合[2]，能够实时对单片机进行控制、监测，具有很高的潜在价值[3]。
由于采用面向应用领域这一特殊性来辅助本文的研究，因此使嵌入式智能无线传感器具有更好的工作性能[4?5]。除此之外，基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器很好地解决了异构系统接口混乱的复杂问题[6?7]。同时，基于单片机控制的无线传感器节能效果十分好，并且对无线复杂情况变化有很强的应急能力[8?9]。
为此，本文提出一种基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计方法，通过无线传感网络体系结构进行分析，设计出传感节点之间组成的硬件需求，通过对WSN通信协议进行设计，实现数据传递控制过程中数据校验和通信数据命令的软件实现。仿真实验结果证明，本文提出的方法提高了单片机控制的工作效率，具有一定的应用价值。
1 硬件设计
在对无线传感器网络进行设计的过程中，信息节点和处理中心的SINK节点是核心关键组成部分。
1.1 无线传感网络节点
无线传感网络是一个小型的嵌入式系统，节点命名方式很多，但大多的原理相似，只是采用不同的处理器和通信协议进行区分。
1.1.1 节点组成
无线传感器网络的节点组成如图1所示。
（1） 数据采集部分，不同的传感器，例如，温湿度传感器、速度加速度传感器、压力传感器、震荡传感器依据其监测的目标、信号发生源和监测精度等要求来选择传感器类型。所以，为了便于传感器的研究且使成本下降，本文中采集数据的方法利用软件模拟方法完成，这样使节点更具有一般性的特点。
（2） 数据处理部分，将由软件模拟方法收集的各类数据进行二次处理，并且把节点的关联附加信息也加入到处理过程。另外，在进行二次处理过程的同时，需要完成成帧、差错和校验等后加工处理，同时还包括其他关联的调度与管理操作过程。
（3） 数据生成和处理部分，通过微控制器来实现。最终数据在单片机的控制下进行有序的传输。
（4） 数据传输部分，这部分最关键的作用就是调制传感信号，并在相关协议指导下进行数据发送，是软硬件相互辅助的表现。
（5） 电源部分，其电源的质量需要认真对待，同时，能耗问题也需要着重考虑。
数据采集部分主要实现对所需控制的单片机进行信号监测以及工作动态跟踪，以便于无线传感网络的研究[10?11] ，本文中采用软件模拟方式获取实验数据信息，使节点更具一般性。
数据处理部分主要是针对产生的无线传感数据进行二次处理，对节点信息进行附加，检验和纠正错误数据，并对传感信息进行调度与管理。
数据传输部分主要实现嵌入式智能无线传感信号的校对，在相关协议下完成单片机的智能控制，是连接软件和硬件的重点部分[12?13]。
1.1.2 節点实现
对于无线传感节点的实现主要是数据处理和传输两大部分。
数据处理部分主要应用英特尔公司的I5处理器，该处理器与MSC?51系列产品全部兼容，具有较好的适应性。需要具有支持ISP等系统编程的存储装置和E2PROM的数据存储器。写入速度必须达到32 B/页。8 GB内存8个。系统静态操作时0～24 Hz，电源工作范围为2.7～5.5 V。
在无线传感信号频率为系统输出信号功率为灵敏度为的情况下，系统接收与无线传感网络半径的关系如下：
1.2 SINK节点
信息处理SINK中心节点：一是要具有处理中心的职能，将命令及时下达到各个位置；另一方面要在各个位置进行数据融合后做下一步处理。
SINK节点主要采用S3C44BOX速龙ARM7TDMI内核，功耗较低，基本为静态设计，适用于敏感应用。处理器是ARM公司的66 Hz的DMI处理器，支持ICE调试和代码压缩。SINK节点组成示意图如图2所示。
S3C44BOX集成手持设备及嵌入式系统和基于单片机的应用调试支持的解决方案，采用32位体系结构进行指令，工作速度快，调度能力更强。节点连接采用RS 232接口，9针脚。
综上所述，基于单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计要在资源消耗有限的情况下，对无线传感器的设计做出调整，进行高效、低能耗地传输、处理数据。
2 软件设计与实现
无线传感器网络对数据采集、处理要求较大，对应用的环境也有较高要求，此外，在嵌入式单片机控制过程中还要求系统反应快，传输功率低。因此，在设计过程中必须要把握适应性和高融合能力。
采用多项式编码，利用生成多项的多个数据检测校验进行编码，编码规则为：设有个数据，添加个校验位，用表示数据位，把进行移动，相当于个校验位空出。即：
由式（4）可知，用除以得出多项式，商为余数为。由此可知：
在编码过程中，采用模2进行运算，在不进行借位的情况下，则有：
即为所求CRC码，应为的整数倍。在检验数据的过程中，CRC编码除以余数为0，说明数据正确，否则为错误。
其算法实现如下：
uintCal_ere（）
{wh1le（1en??=0）
{for（i=0x80：i！=0；i/=2）
{if（（crcl&0x8000）！=0）
{crcl*=2：crcl =0xl021：} //余式CRC乘以2再求CRC
else
{ercl*=2：}
if（（*ptr&i）！=0）crcl= 0X1021： //再加上本位CRC
}
ptr++；}
return（crcl）：}
通过对CRC编码，采用模2运算，以一种空间转换思想实现了无线传感器的快速、高效求解和调度。
3 仿真实验
通过仿真实验来检测本文设计的单片机控制的嵌入式智能无线传感器的性能优劣。
（1） 测试用硬件环境
主机运行核心处理器为：intelcoreTM i7 CPU 3.40 GHz；
主机运行内存：与主板兼容的华硕4.00 GB内存条1个。
（2） 测试用软件环境
计算机为Windows7专业版 64位操作系统；客户端操作系统和服务端操作系统内存均为1 GB，2个CPU。
由于本文主要是对嵌入式智能无线传感器进行设计，首先对无线传感器接收无线网络的数据情况进行测试，结果见图3。通过图3能够发现，随着时间及无线数据量的不断加大，嵌入式单片机接收数据的接收率随之增大。
对无线传感器抗干扰能力进行测试，主要考虑单片机控制过程中对无线信号的检验情况，如图4所示。通过图4能够发现，经过20 min的无线网络数据来看，数据信号较为平稳，未发现重大波动，对数据接收能够达到单片机控制的嵌入式标准。
4 结 论
本文构建了单片机控制的嵌入式智能无线传感器设计，该系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分主要由信息节点和处理中心的SINK节点组成。软件设计部分主要采用多项式编码。通过仿真实验结果来看，本文设计基本符合工作实际需求，具有较高的可靠性和抗干扰能力。
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[5] 张琰.基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计[J].通讯世界，2015，32（20）：49?50.
[6] 徐向艺，王建玺.基于ZigBee无线传感器网络的实验室智能教学系统[J].计算机系统应用，2015，24（7）：63?68.
[7] 郭世璞.基于单片机的无线传感网络通信模块设计与实现[J].信息通信，2016，33（8）：181?183.
[8] 左廷元，陈栋栋，钱浩，等.基于GSM的嵌入式无线远程监控系统设计[J].科技视界，2015，43（22）：206.
[9] 沙刘云.温室大棚嵌入式控制系统设计与实现[J].工程技术， 2016，18（8）：308.
[10] 孙小平，王向东，李树江.嵌入式温室大棚远程监控系统的设计与实现[J].应用科技，2016，43（2）：33?36.
[11] 黄小天，吴晓红，吴小强，等.基于无线传感器技术的实验室监控系统设计[J].微型机与应用，2015，34（4）：4?7.
[12] 戴泽淼，王胜，梁继会.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系统的设计与实现[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2015，32（2）：87?90.
[13] 魏燕达，周卫星.基于6LOWPAN的智能家电监测与控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（14）：101?104.
