基于物联网的堆叠式可重构无线传感装置的设计

引 言

近年来，物联网技术不断发展完善，已经成为人们工作及生活中必不可少的技术之一。一些智能物联网装置已被广泛应用于工业、物流、安防、环保、农业、医疗等领域。但现存应用中的物联网装置大都针对具体的应用场所开发设计，还有一些关键的技术问题尚未突破，从而限制了现代物联网的发展。其中，亟待解决的共性问题如下 [1]。

(1) 应变力较差 ：目前的物联网装置大多针对某个具体的应用场景进行定制开发与部署，缺乏共性解决方案，而且大多数装置采用有线设备进行数据的采集和传输，很大程度上影响了物联网系统的兼容性与适应性。

(2) 信息融合度不高：传感器是物联网的重要基础，由于传感技术的多样性和复杂性，不同传感器收集到的数据整合和预处理是当今物联网技术开发中的一个难题。

(3) 标准不统一：目前存在的物联网标准大多是行业应用标准或传输层标准，而关于应用层与感知层的数据交换标准却还未建立，导致物联网装置或系统间的信息交流比较困难， 因此要把现有标准进行融合，建立一个权威的数据交换标准是一大挑战。

针对以上不足，本文提出了一种基于物联网的堆叠式可重构无线传感装置，介绍了堆叠式传感器模块与基板的设计方法，同时还对传感器模块间、传感器模块与基板间的数据链路接口进行设计，制定了传感器节点间互相交换信息的自适应数据交换协议，从而为各领域物联网应用提供了共性解决方案。

1 总体结构设计

本文提出的堆叠式可重构无线传感装置主要由传感器模块和基板模块组成，其总体结构设计如图 1 所示。该装置根据不同传感量的采集需求，将相应传感器模块通过堆叠的方式安装在基板模块上。其中，传感器模块负责采集传感量数据，并通过I2C 总线通信方式将采集到的传感量数据传输至基板模块 ；基板模块按照自适应数据交换协议，对接收到的各种传感量数据打包，同时通过ZigBee 无线网络发送至网关模块，进而传输至上位机控制中心 ；多个传感器模块与一个基板模块共同组合成一个传感器节点，该节点通过 ZigBee 无线网络加入庞大的物联网系统 [2]。本设计通过在基板模块上堆叠不同数量、种类的传感器，实现对各种场合与场所内不同监控对象的智能监控，同时上位机控制中心可根据自适应数据交换协议 [3]，通过网关模块向基板模块发送操作指令，实现对基板模块的控制。

在硬件结构设计方面需要着重考虑以下问题：

（1）堆叠式可重构：多个传感器模块可按层次方便、牢固地堆叠安装在基板上，增加或减少某个传感器模块应不受其他传感器模块或基板的影响，同时安装在基板上的传感器模块可根据物联网工程应用需要，随时调整安装顺序。

  (2)自适应数据链路接口：所有的传感器模块均应采用统一的数据通信方式，即统一的数据链路接口，基板能按照传感器模块规定的数据通信格式快速、准确地收集、解析数据， 并将数据整合成数据帧，再发给上位机。

  (3)模块与基板尺寸统一：在传感器模块与基板的实物设计方面，所有的传感器模块均应采用统一的尺寸，根据传感器模块的大小及ZigBee通信模块的大小合理设计基板的尺寸及元件分布。

2 堆叠式可重构硬件设计

根据市面上现有的传感器特性及模块的设计特点设计传感器模块通用板，传感器模块如图 2 所示。其中，板的尺寸为30 mm 30 mm，板上主要包括 STM32 单片机以及其外围电路 [4]、传感器及其外围电路以及必须的数据链路接口，各器件合理地分布在板上。图 2 中 a 为传感器模块的 4 个数据连接接口，每个接口由 2 针插针组成，起到固定模块与数据通信的作用。这 4 个接口包括 I2C 总线通信接口，VCC，GND 等其他必须的数据链接接口，传感器模块之间的堆叠、传感器模块与基板的安装就通过这4 个接口来实现，通过这4 个接口， 可将一个或多个传感器模块一层层地安装在基板上。

根据传感器模块的尺寸、ZigBee 模块大小及基板中 STM32 单片机单元的硬件设计电路，设计的基于 ZigBee 的 基板如图 3 所示。其中，板的尺寸为 40 mm×60 mm，板上 主要包括 ZigBee 无线通信模块 [5]、单片机控制单元、传感 器模块安装插座及基板必须的接口连接件。其中，图 3 中的 b 为 4 个排座组成的传感器模块安装区域，c 为 ZigBee 无线 通信模块。第一层传感器模块通过图中 b 的 4 个插座安装在 基板上，安装完成示意图如图 4 所示，而第二层模块则通过 传感器模块上的 4 个插座（如图 4 中 d 所示）堆叠安装在基 板上，依此类推，实现了多个传感器模块组合安装在同一个 基板上的目标。

在本设计中，传感器模块间、传感器模块与基板间的连 接均采用堆叠式可重构接口。此接口不仅起到电源和数据链路 的作用，实现传感器模块在三维空间上的堆叠，而且能够使 基板与各传感器模块以并联的方式挂载在电源线及 I2C 通信总 线上，实现多种传感器数据的高速采集及可靠传输。

图 3 基板示意图

图 4 传感器模块安装在基板上示意图

为保证堆叠后整个装置的物理稳定性，需要在各传感器模块和基板上均设置堆叠式接口作为支撑点，即将所需电源接口、I2C 通信接口以及其他预留接口共 8 个接口按照两两一组的方式，将四组接口组成一个四角支撑的稳定结构，从而使上层模块能够稳固地堆叠在下层模块上。其中该数据链路接口的电路原理如图 5 所示。P1，P2 作为地线，+3.3 V 或+5 V 作为接口，可满足大部分微处理器和传感元件的电源要求 ；P3 作为I2C 总线通信所需的SDA，SCL 接口，两线均接有 2.2kΩ上拉电阻 ；P4 不作为任何接口，仅用于支撑。

3 自适应通信协议设计

在设计的无线传感网络中，节点主要由基板及安装在基板上的若干个传感器模块组成，每个节点利用无线通信技术实现数据的发送或中继，将无线传感器网络的数据传输到计算机，从而实现异构网络的数据通信 [6]。由于无线传感器网络存在众多节点，为了提高节点间、节点与计算机间的通信效率与可靠性，对它们的通信方式制定了统一协议。该协议规定通信双方采用数据包的通信格式：基板将收到的传感器信息（主要包含传感器类别、传感器类型、传感器名称、传感器模块地址、传感器数据长度和数据内容）打包成数据包，然后配以数据头、校验码与停止位等特殊命令字，再把该数据包当成一帧数据进行信息交换，逐帧进行数据传输即可实现两者间的持续通信。

基板与传感器模块具体的通信协议定义如下：

数据头（2 B）+ 数据长度（1 B）+ 命令标识符（1 B）+节点地址（2 B）+ 传感器类别 1（1 B）+ 传感器类型 1（1 B）+ 传感器名称 1（1 B）+ 传感器模块地址 1（1 B）+ 传感器数据长度 1（1 B）+ 数据内容 1（m B）+ 传感器类别 2（1 B）+ 传感器类型 2（1 B）+ 传感器名称 2（1 B）+ 传感器模块地址 2（1 B）+ 传感器数据长度 2（1 B）+ 数据内容 2（mB）+ + 传感器类别 n（1 B）+ 传感器类型 n（1 B）+ 传感器名称 n（1 B）+ 传感器模块地址 n（1 B）+ 传感器数据长度 n（1 B）+ 数据内容 n（m B）+ 校验码（1 B）+ 停止位（1 B）

4 检测系统实验结果分析

根据不同传感量的采集需求，在各基板上堆叠多种传感器模块，设置好基板与传感器模块的硬件地址，然后将无线通信模块安装在基板上并配置好通信模式，完成传感节点的装配。将各传感节点安装在不同的监控区域内，接通电源，搭建好无线传感网络后，各传感节点开始工作。

以其中一个堆叠有水银开关、烟雾、DHT11 温湿度三种传感器模块的传感节点为例，获取某时刻这三种传感器数据的采集情况，基板将这三种传感器数据整合为数据帧的结果， 见表 1 所列。

上位机接收到基板整合的数据帧后，根据数据帧内 容，可检测出此时相应监控目标的状态 ：该传感节点为 1 号节 点，工作模式为连续数据采集与发送 ；堆叠的第一层传感器 为水银开关传感器模块，水银探头处于闭合状态 ；第二层为 烟雾传感器，传感器附近的空气中含有轻微烟雾 ；第三层为 DHT11 温湿度传感器，传感器附近的温度为 26℃，相对空气 湿度为 54%。

在不同时间段、不同气候及地理环境下，我们对系统的 主要性能参数进行了反复测试，得出的测试结果见表 2 所列。

由表 2 可知，本装置能快速识别接入物联网内的传感器， 并能根据监控要求及时作出正确响应，具有易操作、功耗低、 持续工作时间长及兼容性强等优点，能较好地满足多种监控 场所的智能监控需求 [7]。

5 结语

本设计基于物联网的堆叠式可重构无线传感装置，解决 了传统物联网装置兼容性不强、信息融合度不高、标准不统一 等问题，完成了堆叠式可重构硬件的设计、自适应数据交换协 议的设计，无线网络构建，模拟量信号、数字量信号和开关量 信号的采集与处理以及执行反馈动作等功能，从而实现传感 装置的智能性、灵活性、多样性与标准化。