基于I2C接口与上级无线传感器网络通信的环境监测系统

本项目开发了一个使用 Xilinx 公司的 SPARTAN3A-DSP FPGA 作为目标开发板，采集数字和模拟传感器数据，并将传感器数据采用 I2C 接口与上级无线传感器网络进行通信的环境监测系统。使用 VHDL 语言编写了温湿度数字传感器(SHT1x)和气压模拟传感器(MPX599D)的接口模块、I2C 输出接口模块和总控模块。制作了与 SPARTAN3A-DSP 与接口电路板，接入模拟、数字传感器信号量。本项目利用FPGA 的可编程特性，搭载不同的传感器，与无线传感器网络相结合，可以提高无线传感器网络系统承载不同传感器应用的能力。I2C 的标准输出接口也使得系统具有扩展连接各类上级微控器的能力。

1.1 项目背景

在随着微处理器的发展，各类设备日趋向网络化发展，物联网 2009 年已引起了广泛关注，据预测 2010 年无线传感器应用将成为最新的电子智能社会的热点。随着材料科学、电化学科学、生物科学的不断发展，新类型的传感器产品层出不穷。而目前市面上所售的传感器采集板，都是一经定型就无法改变的。FPGA产品的特性在于可以进行反复修改硬件设计。为此，产生使用 FPGA 来设计各类传感器接入的思考。其系统优点在于，当系统接入的传感器发生改变时，可以重新设计 FPGA接口电路模块使得其容纳新产品。为此，本项目试用 FPGA 将无线传感器网络和典型的数字、模拟传感器相连，满足环境监测的需要。

如图 1-1 所示，其中，虚线框表示外部自然环境、圆形表示传感器，方框表示基于 FPGA 的环境监测系统，天线表示 I2C 接口设备、云表示无线传感器网络、PC 机表示用户终端。

整个工作流程为：传感器通过 FPGA 上 的 EXP 接 口与环境监测系统相连。系统通过发送命令，从传感器上采集数据。数据采集后，系统将从传感器采集来的数据使用 I2C 接口输出，例如可以通过无线传感器网络传输，并最终将结果输出到终端。从而实现对外部环境的监测。

图 1-2. 基于 FPGA 的环境监测系统框图