物聯網傳感模塊的通信接口研究與應用實現

張 毅,蘭麗慧

(重慶郵電大學 通信學院，重慶 400065)

一個完整的物聯網系統的構成或產業鏈的劃分應該包括感知層、網絡層和應用層三個層面[1]。由于數字整合的需求日益增長，對作為感知層核心組成元素的傳感器數據融合提出了更高的要求，如何將傳感器連入物聯網成為一個尤其重要的問題。

而隨著物聯網的發展，傳感器作為數據采集的檢測裝置，將在農業、工業、智能家居等領域得到更為廣泛的應用[2]。由于每種傳感器輸出信息格式有所不同，這就需要設計一種通用的傳感模塊信息處理接口，將傳感器輸出的信息轉換成統一的信息格式輸出。

而傳統的數據采集裝置采用有線網絡傳輸數據，安裝布線及維護困難，成本也較高，越來越不能滿足數據采集的要求。

基于以上兩個方面的考慮，本文對傳感模塊的通信接口進行研究，設計了一種通用的傳感模塊通信接口，解決傳感器輸出信息格式不統一的問題，并采用ZigBee無線數據采集網絡對處理后的信息進行傳輸，以解決傳感器連入物聯網的問題。

1 系統結構

傳感器接口模塊硬件主要由電源模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、CC2530、射頻天線單元、信號調理模塊、傳感器模塊組成。其結構圖如圖1所示。電源管理單元為傳感器模塊和信號調理模塊提供工作電壓，同時為了降低節點的能耗，該單元還實現了對工作電壓開關的控制，保證系統在不采集數據時，數據采集部分的功耗為零。數據采集部分由傳感器模塊和信號調理模塊組成，實現對物理信號的采集、信號的轉化、處理，提高信號的精確度。

2 系統設計

2.1 ZigBee核心板的設計

考慮到數據在物聯網中的傳輸，核心處理器直接采用CC2530，它帶有8051的處理器內核，可以處理傳感器轉換后的數據；支持IEEE802.15.4協議規范，可以無線傳輸;作為傳感器采集節點的核心處理器，CC2530的功耗較低；支持AES加密，保障數據傳輸的安全性；帶有兩路RS232接口、3個計數器，為傳感器數據通信提供了豐富的接口[3]。ZigBee核心板電路如圖2所示。

2.2 電源設計

傳感器接口模塊采集多個傳感器的數據，各個傳感器模塊的供電電壓有所不同，一般為 3.3 V、5 V和 9 V，CC2530的供電電壓采用3.3 V供電，因此電源及電源管理模塊需要提供多個不同級別的電壓。電源及電源管理電路如圖3所示。

從抗干擾角度來看，電源部分的脈沖干擾是最嚴重的，因此在設計電源模塊時還要考慮這個問題，將數字電源/數字地與模擬電源/模擬地隔離，防止干擾。

為了降低傳感模塊的功耗，當有的傳感節點不需要采集數據時，電源管理模塊在控制器的作用下斷開部分傳感器模塊的供電電源，降低系統功耗，保障節點較長時間工作。本文選用CD4066[4]模擬開關來實現對電源通斷的控制。CD4066是一種雙向模擬開關，在集成電路內有4個獨立的能控制數字及模擬信號傳送的模擬開關。每個開關有一個輸入端和一個輸出端，它們可以互換使用，還有一個選通控制端，當選通端為高電平時，開關導通；當選通端為低電平時，開關截止。

2.3 模擬型傳感器接口電路設計

在實際電路應用中，模擬信號采集是一個重要環節。通用模擬信號處理接口能夠處理一些標準電壓、電流和電阻信號，同時能夠將微信號及差分信號進行精確的轉換。模擬傳感器接口電路如圖4所示。

圖4 模擬傳感器接口電路

由于電流和電阻信號不能直接進行A/D轉換，因此需要先將電流和電阻信號轉換成電壓信號再輸入到A/D轉換中。對于高于3.3 V的輸入電壓需要經過精密電阻分壓，只要保證ADS1115[5]的輸入電壓不高于3.3 V即可。

本設計選取TI公司生產的ADS1115芯片，這款芯片內部集成了可編程放大器和16位的A/D轉換，低電流功耗，低漂移電壓，4個單端或2個差分輸入，可檢測的電壓范圍為-0.3～+0.3V,可編程的增益為2/3,1,2,4,8或16。其輸出采用I2C接口與ZigBee連接，ZigBee通過I/O口模擬I2C接口與其通信,節約了ZigBee的I/O端口。

2.4 開關型傳感器

開關量輸入信號通常夾雜著眾多噪聲，需要進行信號的隔離，以減少外部的干擾。采用光耦器件采集開關量信號接口電路簡單，電平轉換方便，也很好地解決了輸入與輸出的電氣隔離問題。電路結構如圖5所示。

圖5 開關型傳感器接口電路

2.5 數字型傳感器

數字接口主要針對3.3 V與5 V混合邏輯電壓系統以及3.3 V的數字信號。目前仍有很多5 V電源供電的器件可用。為了使該系統能夠與5 V器件通信，同時CC2530采用3.3 V供電，所以I/O口的最大邏輯電平也是3.3 V。只有能夠工作于3.3 V的器件才能直接與其I/O口直接相接，進行無誤的通信。因此采用何種處理才能保證在與5 V器件或模塊接口通信時的完整性與準確性，也是混合電壓系統中的主要問題，因此在接口方面需要做出處理。

針對以上問題，目前有很多解決方法：電阻分壓、三級管單向轉換方法，在可靠性、穩定性方面存在不足；采用FPGA/CPLD進行電平轉換，在成本方面受到限制。本設計則采用美信的MAX3377完成3.3 V與5 V之間的邏輯電平轉換。

MAX3377是雙向低電壓邏輯電平轉換器，在3 V與5 V之間轉換通信速度高達8 Mb/s，具有三態引腳(Three-State)，當為低有效電平時消耗電流為 1μs，靜態電流典型值為130μA，整體功耗比較低。數字型傳感器接口電路如圖6所示。

圖6 數字型傳感器接口電路

3 軟件設計

系統的軟件設計主要是ZigBee傳感模塊的軟件設計，這里的ZigBee模塊需要在程序中配置為終端節點或路由器類型。程序采用最新的TI 2007版ZigBee協議棧，該協議?？珊芎玫刂С志W絡的自組織和自愈合。相對于目前使用較多的TI 2006版ZigBee協議棧，07版協議棧在06版協議?；A上主要增加了支持多密鑰高安全性、支持大型網絡、支持分割傳輸等特性。傳感模塊程序在已有協議?；A上,還需增加用戶自己的應用程序。

A/D數據采集是實現模擬型傳感器信息獲取的關鍵所在。該模塊負責將采集到的傳感器信息轉化為數字信號[6]。

A/D數據采樣主要完成如下的幾個功能：

(1)初始化。該工作主要完成對一些物理器件的引腳功能、工作模式等進行預定義。

(2)A/D轉換。通過軟件啟動模數轉換芯片，完成模擬信號到數字信號的轉換。

(3)數據接收和發送。詳細操作步驟如下：

①需采集的通道地址通過I2C接口寫入ADS1115的相應寄存器，應用設定的波特率來設置接口傳輸速度；

②啟動ADS1115進行數據采樣和轉換，數據傳輸方式為I2C發送模式；

③當數據發送完畢后，通過I2C設置ADS1115，結束數據傳輸，進入空閑模式并等待指令。

數字量和開關量按照一定的通信協議與ZigBee進行通信，最后將采集的數據按照自定義的數據傳輸幀格式解析、處理接收到的數據，按照自定義的數據傳輸幀格式構造待發送數據給ZigBee協調器。

根據ZigBee節點的類型、編號、功能指令、操作類型等參數，定義相應的數據包格式。在ZigBee傳感模塊與ZigBee協調器通信時，按照統一的指令傳輸數據。通信協議指令格式如表1所示。

表1 通信協議指令包格式

4 系統測試

系統的測試借助上位機測試平臺和ZigBee協調器節點。首先，將ZigBee傳感模塊與ZigBee協調器建立連接；然后，通過上位機串口軟件對相應的ZigBee節點發送控制指令；最后，對協調器接收的信息進行實時解析。測試結果如表2和表3所示。

表2 ZigBee網絡節點信息

表3 測試結果

指令00 00 FE 00用于獲取ZigBee網絡中節點信息。

本文以傳感器的輸出信號類型為分類依據，基于該信號接口分類給出了基于ZigBee的傳感器接口模塊的硬件設計，并實際設計實現了模擬型、開關型以及數字I/O型模塊，給出了相應的硬件選型；進行了接口模塊的軟件設計。

本文設計的ZigBee傳感模塊解決了開關型、模擬型、數字型傳感器與ZigBee之間的通信接口問題，將傳感器與ZigBee技術結合起來，實現了對各種信息的采集和控制。

[1]ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things[R].Geneva:International Telecommunication Union,2005.

[2]鄔賀銓.物聯網的應用與挑戰綜述[J].重慶郵電大學學報,2010,22(5),526-531.

[3]高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2009.

[4]Texas Instruments Incorporated.CD4066 CMOS quad bilateral switch[EB/OL].[2003-09-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4066b.pdf.

[5]Texas Instruments Incorporated.ADS1115 data sheet[EB/OL].[2009-10-08].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1115.pdf.

[6]翟羽佳,吳仲城,沈春山.基于 STM32的傳感器接口模塊的設計[J].電子技術,2011(8):57-60.