一種智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計

阮永超，劉武發(fā)，鄭 鵬

（鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南鄭州450001）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化的智能傳感器系統(tǒng)運用越來越廣泛。為了解決傳感器與網(wǎng)絡(luò)連接的標準化問題，電氣和電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）制定了IEEE 1451一系列標準。

針對IEEE 1451標準，國內(nèi)學(xué)者進行了大量研究并且取得了豐碩的研究成果。段文浩［1］設(shè)計了基于IEEE 1451.2標準［2］的智能傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)適配器模塊使用基于SPI（serial peripheral inter-face，串行外設(shè)接口）協(xié)議所設(shè)計的十線制接口與智能傳感器模塊相連接［2］。鄭培亮［3］以ARM9的嵌入式開發(fā)板OK2400-IV作為載體，在其上運行Linux系統(tǒng)并搭建Boa服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)適配器模塊；在計算機中運行Linux系統(tǒng)，并通過網(wǎng)線使計算機與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊進行通信；網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器模塊的接口也采用基于SPI協(xié)議的十線制接口。尹寶軍、周敏剛等［4-5］設(shè)計的智能傳感器系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)適配器模塊和智能傳感器模塊均采用RS232協(xié)議通信。馬生貴［6］設(shè)計的智能傳感器系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)適配器模塊和智能傳感器模塊采用CAN（controller area network，控制器局域網(wǎng)總線）協(xié)議通信。趙露［7］設(shè)計了用于環(huán)境監(jiān)測的使用ZigBee協(xié)議的無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。劉東明等［8］設(shè)計了采用ZigBee協(xié)議與其他節(jié)點通信的無線傳感器節(jié)點。

IEEE 1451標準中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器模塊是否采用IIC通信［9］并沒有相關(guān)規(guī)定，也鮮有研究，而筆者設(shè)計的智能傳感器系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)適配器模塊采用IIC與智能傳感器模塊通信，采用Wi-Fi［10］與上位機通信。IIC通信具有可靠性好、傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡單和易于擴充等優(yōu)點；Wi-Fi通信的優(yōu)勢在于信號覆蓋廣、網(wǎng)絡(luò)速度較快，能夠擺脫線纜連接的束縛，成本低廉，容易維護。因此，該設(shè)計對于今后相關(guān)方面的研究具有借鑒意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能傳感器系統(tǒng)總體框架如圖1所示。STM32F 103通過 USART（universal synchronous/asynchro-nous receiver/transmitter，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）［11］與ESP8266模塊［12］連接，組成網(wǎng)絡(luò)適配器模塊［13］。STM32F103通過使用AT（Attention）指令與ESP8266模塊通信，就能使ESP8266模塊接入網(wǎng)絡(luò)。STM32F103與傳感器連接，組成智能傳感器模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計采用客戶端/服務(wù)器模式，上位機作為客戶端，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊作為服務(wù)器，智能傳感器模塊執(zhí)行具體的操作。

圖1 智能傳感器系統(tǒng)總體框架Fig.1 General framework of intelligent sensor system

智能傳感器系統(tǒng)的工作流程為：1）上位機發(fā)送指令；2）網(wǎng)絡(luò)適配器模塊接收指令后解析指令并生成自己的指令，然后向相應(yīng)的智能傳感器模塊發(fā)送指令；3）智能傳感器模塊接收指令后執(zhí)行相應(yīng)操作，并將結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)適配器模塊；4）網(wǎng)絡(luò)適配器模塊收到結(jié)果后將結(jié)果發(fā)送給上位機；5）上位機接收結(jié)果并進行相關(guān)操作。

本文主要對圖1中虛線所包圍的上位機、網(wǎng)絡(luò)適配器模塊、智能傳感器模塊1三部分的設(shè)計進行介紹，其他部分的設(shè)計類似，不再贅述。

2 模塊接口及硬件設(shè)計

智能傳感器模塊1與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的接口及硬件設(shè)計如圖2所示，括號內(nèi)為具體的引腳。

圖2 智能傳感器模塊1與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的接口及硬件設(shè)計Fig.2 Interface between intelligent sensor module 1 and net-work adapter module and hardware design

在網(wǎng)絡(luò)適配器模塊中，PA0為ESP8266模塊的片選信號引腳，當PA0為高電平時，ESP8266模塊被選中，ESP8266模塊開始工作；PA1為ESP8266模塊的復(fù)位信號引腳，當PA1為低電平時，ESP8266模塊復(fù)位；控制器通過PA2向ESP8266模塊發(fā)送信息，通過PA3從ESP8266模塊接收信息，通過VCC（volt current condenser，電路的供電電壓）和GND（ground，地線）向ESP8266模塊供電。

在網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器模塊1的連接中，STM32F103.1作為IIC主機，STM32F103.2作為IIC從機，PB6作為IIC時鐘線，PB7作為IIC數(shù)據(jù)線，智能傳感器模塊1通過PB2向網(wǎng)絡(luò)適配器模塊發(fā)送應(yīng)答信號，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊通過PB8向智能傳感器模塊1發(fā)送應(yīng)答信號，PB9作為智能傳感器模塊1的連接請求線。智能傳感器模塊1連接成功后，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊通過檢測PB9的高低電平來判斷智能傳感器模塊1是否斷開連接。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊通過VCC和GND向智能傳感器1模塊供電。

在STM32F103.2與傳感器0的連接中，PB0作為時鐘線，PB1作為數(shù)據(jù)線。當傳感器0接入系統(tǒng)后，PC2被置為高電平；當傳感器0斷開連接后，PC2被置為低電平。STM32F103.2通過檢測PC2的高低電平來判斷傳感器0是否接入，通過VCC和GND向傳感器0供電。

3 模塊電子數(shù)據(jù)表格的設(shè)計

智能傳感器模塊的智能性體現(xiàn)在其內(nèi)部有傳感器電子數(shù)據(jù)表格（transducer electronic data sheets，TEDS），用以描述和記錄智能傳感器模塊的相關(guān)參數(shù)。參考IEEE 1451.2標準設(shè)計了3種TEDS，分別是主TEDS、通道TEDS和校準TEDS。按照標準，主TEDS和通道TEDS是必須有且固定不變的，它們被存儲在程序中；校準TEDS是根據(jù)校準的需要而改變其中的校準數(shù)據(jù)，它被存儲在STM32F103的內(nèi)部Flash中。現(xiàn)主要以主TEDS為例介紹TEDS的設(shè)計。

3.1 TEDS格式設(shè)計

TEDS格式設(shè)計中分別取TEDS中“類型”“長度”“內(nèi)容”所對應(yīng)的英文單詞“type”“l(fā)ength”“value”的首字母，合稱為TLV［14］。TEDS中的TLV個數(shù)不定，根據(jù)需要設(shè)置。設(shè)計中為了便于TEDS的存儲和傳輸，TEDS由字符組成。在一個TLV中：TLV的類型用2個字符表示；長度是指此TLV內(nèi)容的字符個數(shù)，用2個字符表示；表示內(nèi)容的字符數(shù)量不固定。TEDS中第1個TLV的類型是用來告知信息的讀取者，這些信息是TEDS信息；其他TLV中的類型表示其內(nèi)容在TEDS中的數(shù)據(jù)區(qū)號。第1個TLV中的內(nèi)容是TEDS相關(guān)標準、類型和版本信息，其他TLV中的內(nèi)容是TEDS所記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 主TEDS設(shè)計

主TEDS主要用來描述智能傳感器模塊自身。主TEDS中有3個TLV。第1個TLV為“0106020101”，其中：開頭的2個字符“01”用于將數(shù)據(jù)識別為TEDS；“06”表示此TLV內(nèi)容由6個字符組成；“02”表示IEEE1451.2標準；第2個“01”表示主TEDS；最后一個“01”表示97年版本。第2個TLV為“042600347501136220191011120201”，其中：開頭的“04”表示全球識別號；“26”表示此TLV內(nèi)容由26個字符組成；“003475”中第1個“0”表示北緯，“003475”表示北緯34.75°；“011362”中“0”表示東經(jīng)，“011362”表示東經(jīng) 113.62°；“20191011120201”表示2019年10月11日12點2分1秒。所以該智能傳感器模塊的全球識別號為“0034750113620191011120201”。第3個TLV為“090202”，其中：“09”表示此TLV信息是執(zhí)行通道數(shù)量；“02”表示此TLV內(nèi)容由2個字符組成；最后一個“02”表示該智能傳感器模塊有2個傳感器通道。

4 系統(tǒng)指令體系的設(shè)計

根據(jù)該智能傳感器系統(tǒng)的特點設(shè)計了簡單易讀的指令體系，如表1所示。

上位機產(chǎn)生的指令中，除了校準TEDS指令外，其他都由3個字符組成，其中第1個字符表示智能傳感器模塊的編號。指令“1ch”表示要讀取智能傳感器模塊1中傳感器的連接狀態(tài)，“1aa”表示要讀取智能傳感器模塊1的主TEDS。在上位機發(fā)送的“10b”“10c”“102”三個指令中，第2個字符均表示要執(zhí)行操作的傳感器編號，第3個字符表示要執(zhí)行的操作，如“10b”表示要讀取智能傳感器模塊1中傳感器編號為0的通道TEDS。上位機向智能傳感器模塊1寫入校準TEDS時會在校準TEDS前面加上相關(guān)信息，如“1j0”，其中：“1”表示智能傳感器模塊1；“j”表示校準TEDS；“0”表示傳感器0。智能傳感器模塊1將校準TEDS寫入完成后會通過PB2通知網(wǎng)絡(luò)適配器模塊，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊接到通知后向上位機發(fā)送指令“xw”。

當智能傳感器模塊1中傳感器的連接狀態(tài)發(fā)生變化時，智能傳感器模塊會將以“s”開頭的四字符指令發(fā)送給上位機。在該四字符指令中：第2個字符“1”表示智能傳感器模塊1；第3個字符表示傳感器0是否存在，“0”表示不存在，“1”表示存在；第4個字符是為了增強系統(tǒng)的可擴展性而設(shè)置的，可表示另一個傳感器存在與否。

表1 智能傳感器系統(tǒng)指令體系Table 1 Instruction system of intelligent sensor system

當智能傳感器模塊1的連接狀態(tài)發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊會將以“s”開頭的三字符指令發(fā)送給上位機。智能傳感器模塊1連接成功后，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊向上位機發(fā)送“s1c”；智能傳感器模塊1斷開連接后，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊向上位機發(fā)送“s1b”?！皊1b”“s1c”中的“1”表示智能傳感器模塊1，“b”表示不存在，“c”表示存在。

以“s”開頭的指令優(yōu)先級高，當指令產(chǎn)生沖突時，優(yōu)先級高的指令優(yōu)先被發(fā)送。通過程序設(shè)計，可實現(xiàn)指令的優(yōu)先發(fā)送，具體可參見軟件設(shè)計部分。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)適配器模塊和智能傳感器模塊1的程序都在keil5中用C語言［15］編寫，上位機程序在Visual Stu-dio中用C#語言［16］編寫。管理員信息、用戶信息以及傳感器的測量值等都保存在MySQL數(shù)據(jù)庫［17］中。

5.1 智能傳感器模塊1與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊接口的工作流程設(shè)計

智能傳感器模塊1與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊接口的工作流程如圖3所示。此設(shè)計中只有PB9的高電平是一直保持的，其他高電平是4 ms或10 ms高電平信號。檢測PB8（非二進制傳輸）和PB2電平時，如果超過1 s未檢測到高電平，智能傳感器模塊1和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊則重新執(zhí)行各自的接口程序。智能傳感器模塊1和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊內(nèi)部存儲著相同的頻率數(shù)組和地址數(shù)組。智能傳感器模塊1與接口連接后，會與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊進行3次握手通信［18］，然后接收網(wǎng)絡(luò)適配器模塊發(fā)送的頻率和對應(yīng)地址編號的二進制數(shù)，并將接收的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，找到相應(yīng)的頻率和地址進行自身的IIC配置。最后，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊會與智能傳感器模塊1進行一次IIC通信測試，測試成功后，則告知上位機智能傳感器模塊1已連接。

5.2 智能傳感器模塊1和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的工作流程設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)適配器模塊對智能傳感器模塊1的信息讀取分為2步，第1步是讀取信息的字符個數(shù)，第2步是按照字符個數(shù)去讀取信息，這樣就可以兼容不同長度的TEDS和測量數(shù)據(jù)。智能傳感器模塊1和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的工作流程如圖4和圖5所示。在智能傳感器模塊1中，傳感器的連接狀態(tài)有變化時所設(shè)置的PB2高電平會一直保持，其他時候設(shè)置的PB2高電平是10 ms高電平信號。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊設(shè)置的PB8高電平也是10 ms高電平信號。檢測PB8和PB2（非保持）電平時，如果超過2 s未檢測到高電平，智能傳感器模塊1和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊則重新執(zhí)行各自的循環(huán)操作。

在智能傳感器模塊1的工作程序中有一個標記參數(shù)，用來使網(wǎng)絡(luò)適配器模塊讀取不同的信息，如：參數(shù)設(shè)置為8時，網(wǎng)絡(luò)適配器讀取通道TEDS；參數(shù)設(shè)置為10時，讀取主TEDS。智能傳感器模塊1在檢測到傳感器0連接狀態(tài)有變化時，就會將PB2置高電平。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊讀取以“s”開頭的返回指令后，會將PB8置高電平，告知智能傳感器模塊1。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊工作程序中有一個代表智能傳感器模塊1是否存在的標記參數(shù)，該參數(shù)設(shè)置為1時代表智能傳感器模塊1存在，設(shè)置為0時代表智能傳感器模塊1不存在，參數(shù)默認值為0。

圖3 智能傳感器模塊1與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊接口的工作流程Fig.3 Workflow of interface between intelligent sensor mod-ule 1 and network adapter module

智能傳感器模塊1根據(jù)收到的指令執(zhí)行相應(yīng)的動作，設(shè)置標記參數(shù)，執(zhí)行完畢后將PB2置高，告知網(wǎng)絡(luò)適配器可以進行讀取。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊讀取信息后，查看信息是否是以“s”開頭的返回指令：如果是，將返回指令發(fā)送給上位機；如果不是，將PB8置高，告知智能傳感器模塊1讀取完畢。智能傳感器模塊1檢測到PB8的高電平信號后，會設(shè)置標記參數(shù)，準備要被讀取的信息。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊再次讀取信息后，查看信息是否是以“s”開頭的返回指令：如果是，將返回指令發(fā)送給上位機；如果不是，將上一次收到的數(shù)據(jù)與本次收到的數(shù)據(jù)組合在一起（上次收到的數(shù)據(jù)在前），作為返回數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的結(jié)合實現(xiàn)了以“s”開頭的返回指令被優(yōu)先發(fā)送，進而實現(xiàn)了智能傳感器模塊和傳感器的即插即用。

圖4 智能傳感器模塊1的工作流程Fig.4 Workflow of intelligent sensor module 1

5.3 上位機軟件設(shè)計

5.3.1 上位機軟件的結(jié)構(gòu)

上位機軟件主要分為登錄和功能兩部分。表2和圖6所示分別為上位機數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表信息和上位機軟件結(jié)構(gòu)圖。

表2 上位機數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表信息Table 2 Data table information of upper computer data-base

圖5 網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的工作流程Fig.5 Workflow of network adapter module

圖6 上位機軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of the upper computer software structure

表2中：guanliyuan和yonghu表的字段都為var-char類型；sensor0表的平均值、最大值和最小值的字段為float類型，單位的字段為varchar類型，時間的字段為datetime類型。圖6中：傳感器校準是指將校準數(shù)據(jù)按照最小二乘法進行擬合得出擬合直線方程，并將各組校準數(shù)據(jù)寫入智能傳感器模塊1的校準TEDS中；測量結(jié)果的計算包括測量數(shù)據(jù)組的平均值、按照t分布置信度為0.95的置信區(qū)間、系統(tǒng)誤差和粗大誤差等的計算［19］；測量結(jié)果的查詢包括按照平均值查詢和按照測量時間查詢兩種。

5.3.2 上位機軟件的運行流程

啟動上位機軟件后，先進入登錄界面進行賬號密碼的驗證，驗證通過后才能進入功能界面。在功能界面中首先要連接Wi-Fi服務(wù)器。上位機軟件運行流程如圖7所示。

上位機連接Wi-Fi成功后，會開啟2個后臺線程，一個用于數(shù)據(jù)的接收，另一個用于檢測網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。點擊功能界面上的指令按鈕會產(chǎn)生對應(yīng)的指令并將指令發(fā)送出去，然后用一個參數(shù)對已發(fā)送指令進行標記。比如點擊智能傳感器模塊1界面的“查找傳感器”按鈕，會產(chǎn)生指令“1ch”，指令發(fā)出后，會將標記參數(shù)設(shè)置為3。當接收數(shù)據(jù)線程接收到數(shù)據(jù)后會根據(jù)指令標記參數(shù)進行不同的操作和顯示，最后清除指令標記，即將指令標記參數(shù)設(shè)置為初始值0。上位機軟件的指令發(fā)出后，會進行5 s定時，如果定時時間到后還沒有收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則指令執(zhí)行超時，進行彈窗提示。

上位機軟件查找網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)時，需要調(diào)用wlanapi.dll中的相關(guān)函數(shù)。查找過程為：首先調(diào)用WlanOpenHandle函數(shù)，打開Wi-Fi句柄，然后調(diào)用WlanEnumInterfaces函數(shù)，列舉無線網(wǎng)絡(luò)適配器，并查找連接狀態(tài)，接著調(diào)用WlanCloseHandle函數(shù)，關(guān)閉Wi-Fi句柄，最后返回查找結(jié)果。

圖7 上位機軟件運行流程Fig.7 Running process of upper computer software

6 實驗驗證

將網(wǎng)絡(luò)適配器模塊上電產(chǎn)生Wi-Fi信號，將電腦進行Wi-Fi連接。啟動上位機軟件進行賬號登錄，然后輸入Wi-Fi服務(wù)器的IP（internet protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）地址和端口號進行網(wǎng)絡(luò)連接。上位機軟件啟動后進行查找智能傳感器模塊及傳感器、校準傳感器、讀取并管理TEDS及傳感器測量結(jié)果等實驗，并進行智能傳感器模塊及傳感器的插拔實驗。實驗證明智能傳感器模塊和傳感器能正常運行并得到正確結(jié)果。

智能傳感器系統(tǒng)的硬件連接如圖8所示，其中：A是為系統(tǒng)供電的USB（universal serial bus，通用串行總線）；B是ESP8266模塊；I和D是STM32F103開發(fā)板，D通過連線C與B相連，組成網(wǎng)絡(luò)適配器模塊；F是量程為5 kg的質(zhì)量傳感器；G是24位的A/D轉(zhuǎn)換模塊HX711，它將傳感器的測量結(jié)果進行A/D轉(zhuǎn)換，并通過連線H與I相連；J連接的是I的PC2引腳，當傳感器接入時J為高電平，當傳感器斷開時J為低電平，I通過檢測J的高低電平來判斷傳感器是否連接；F、G、H、I、J共同組成智能傳感器模塊1，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊和智能傳感器模塊1通過連線E進行連接。

上位機界面如圖9所示。

圖8 智能傳感器系統(tǒng)的硬件連接圖Fig.8 Hardware connection diagram of intelligent sensor system

圖9 上位機界面Fig.9 Interface of the upper computer

7 結(jié)論

基于STM32F103所設(shè)計的智能傳感器模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊電路比較簡單，它們之間采用IIC通信，連線較少，通信簡單，易于擴展。智能傳感器模塊可以實現(xiàn)頻率的自適應(yīng)和地址的自分配，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的即插即用。指令體系的構(gòu)建使系統(tǒng)的擴展有了指令框架。設(shè)計的TEDS格式更加適合數(shù)據(jù)的存儲和傳輸。上位機具有登錄界面，使功能界面的使用更加安全。通過軟件運行，上位機可以將測量結(jié)果等信息存入數(shù)據(jù)庫，方便對測量結(jié)果的管理。通過實驗驗證了該智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性。