物联网传感模块的通信接口研究与应用实现

时间：2024-05-22

张毅,兰丽慧

(重庆邮电大学通信学院，重庆 400065)

一个完整的物联网系统的构成或产业链的划分应该包括感知层、网络层和应用层三个层面[1]。由于数字整合的需求日益增长，对作为感知层核心组成元素的传感器数据融合提出了更高的要求，如何将传感器连入物联网成为一个尤其重要的问题。

而随着物联网的发展，传感器作为数据采集的检测装置，将在农业、工业、智能家居等领域得到更为广泛的应用[2]。由于每种传感器输出信息格式有所不同，这就需要设计一种通用的传感模块信息处理接口，将传感器输出的信息转换成统一的信息格式输出。

而传统的数据采集装置采用有线网络传输数据，安装布线及维护困难，成本也较高，越来越不能满足数据采集的要求。

基于以上两个方面的考虑，本文对传感模块的通信接口进行研究，设计了一种通用的传感模块通信接口，解决传感器输出信息格式不统一的问题，并采用ZigBee无线数据采集网络对处理后的信息进行传输，以解决传感器连入物联网的问题。

1 系统结构

传感器接口模块硬件主要由电源模块、时钟模块、电源管理模块、CC2530、射频天线单元、信号调理模块、传感器模块组成。其结构图如图1所示。电源管理单元为传感器模块和信号调理模块提供工作电压，同时为了降低节点的能耗，该单元还实现了对工作电压开关的控制，保证系统在不采集数据时，数据采集部分的功耗为零。数据采集部分由传感器模块和信号调理模块组成，实现对物理信号的采集、信号的转化、处理，提高信号的精确度。

2 系统设计

2.1 ZigBee核心板的设计

考虑到数据在物联网中的传输，核心处理器直接采用CC2530，它带有8051的处理器内核，可以处理传感器转换后的数据；支持IEEE802.15.4协议规范，可以无线传输;作为传感器采集节点的核心处理器，CC2530的功耗较低；支持AES加密，保障数据传输的安全性；带有两路RS232接口、3个计数器，为传感器数据通信提供了丰富的接口[3]。ZigBee核心板电路如图2所示。

2.2 电源设计

传感器接口模块采集多个传感器的数据，各个传感器模块的供电电压有所不同，一般为 3.3 V、5 V和 9 V，CC2530的供电电压采用3.3 V供电，因此电源及电源管理模块需要提供多个不同级别的电压。电源及电源管理电路如图3所示。

从抗干扰角度来看，电源部分的脉冲干扰是最严重的，因此在设计电源模块时还要考虑这个问题，将数字电源/数字地与模拟电源/模拟地隔离，防止干扰。

为了降低传感模块的功耗，当有的传感节点不需要采集数据时，电源管理模块在控制器的作用下断开部分传感器模块的供电电源，降低系统功耗，保障节点较长时间工作。本文选用CD4066[4]模拟开关来实现对电源通断的控制。CD4066是一种双向模拟开关，在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。每个开关有一个输入端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通控制端，当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。

2.3 模拟型传感器接口电路设计

在实际电路应用中，模拟信号采集是一个重要环节。通用模拟信号处理接口能够处理一些标准电压、电流和电阻信号，同时能够将微信号及差分信号进行精确的转换。模拟传感器接口电路如图4所示。

图4 模拟传感器接口电路

由于电流和电阻信号不能直接进行A/D转换，因此需要先将电流和电阻信号转换成电压信号再输入到A/D转换中。对于高于3.3 V的输入电压需要经过精密电阻分压，只要保证ADS1115[5]的输入电压不高于3.3 V即可。

本设计选取TI公司生产的ADS1115芯片，这款芯片内部集成了可编程放大器和16位的A/D转换，低电流功耗，低漂移电压，4个单端或2个差分输入，可检测的电压范围为-0.3～+0.3V,可编程的增益为2/3,1,2,4,8或16。其输出采用I2C接口与ZigBee连接，ZigBee通过I/O口模拟I2C接口与其通信,节约了ZigBee的I/O端口。

2.4 开关型传感器

开关量输入信号通常夹杂着众多噪声，需要进行信号的隔离，以减少外部的干扰。采用光耦器件采集开关量信号接口电路简单，电平转换方便，也很好地解决了输入与输出的电气隔离问题。电路结构如图5所示。

图5 开关型传感器接口电路

2.5 数字型传感器

数字接口主要针对3.3 V与5 V混合逻辑电压系统以及3.3 V的数字信号。目前仍有很多5 V电源供电的器件可用。为了使该系统能够与5 V器件通信，同时CC2530采用3.3 V供电，所以I/O口的最大逻辑电平也是3.3 V。只有能够工作于3.3 V的器件才能直接与其I/O口直接相接，进行无误的通信。因此采用何种处理才能保证在与5 V器件或模块接口通信时的完整性与准确性，也是混合电压系统中的主要问题，因此在接口方面需要做出处理。

针对以上问题，目前有很多解决方法：电阻分压、三级管单向转换方法，在可靠性、稳定性方面存在不足；采用FPGA/CPLD进行电平转换，在成本方面受到限制。本设计则采用美信的MAX3377完成3.3 V与5 V之间的逻辑电平转换。

MAX3377是双向低电压逻辑电平转换器，在3 V与5 V之间转换通信速度高达8 Mb/s，具有三态引脚(Three-State)，当为低有效电平时消耗电流为 1μs，静态电流典型值为130μA，整体功耗比较低。数字型传感器接口电路如图6所示。

图6 数字型传感器接口电路

3 软件设计

系统的软件设计主要是ZigBee传感模块的软件设计，这里的ZigBee模块需要在程序中配置为终端节点或路由器类型。程序采用最新的TI 2007版ZigBee协议栈，该协议栈可很好地支持网络的自组织和自愈合。相对于目前使用较多的TI 2006版ZigBee协议栈，07版协议栈在06版协议栈基础上主要增加了支持多密钥高安全性、支持大型网络、支持分割传输等特性。传感模块程序在已有协议栈基础上,还需增加用户自己的应用程序。

A/D数据采集是实现模拟型传感器信息获取的关键所在。该模块负责将采集到的传感器信息转化为数字信号[6]。

A/D数据采样主要完成如下的几个功能：

(1)初始化。该工作主要完成对一些物理器件的引脚功能、工作模式等进行预定义。

(2)A/D转换。通过软件启动模数转换芯片，完成模拟信号到数字信号的转换。

(3)数据接收和发送。详细操作步骤如下：

①需采集的通道地址通过I2C接口写入ADS1115的相应寄存器，应用设定的波特率来设置接口传输速度；

②启动ADS1115进行数据采样和转换，数据传输方式为I2C发送模式；

③当数据发送完毕后，通过I2C设置ADS1115，结束数据传输，进入空闲模式并等待指令。

数字量和开关量按照一定的通信协议与ZigBee进行通信，最后将采集的数据按照自定义的数据传输帧格式解析、处理接收到的数据，按照自定义的数据传输帧格式构造待发送数据给ZigBee协调器。

根据ZigBee节点的类型、编号、功能指令、操作类型等参数，定义相应的数据包格式。在ZigBee传感模块与ZigBee协调器通信时，按照统一的指令传输数据。通信协议指令格式如表1所示。

表1 通信协议指令包格式