基于I2C接口與上級(jí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)使用 Xilinx 公司的 SPARTAN3A-DSP FPGA 作為目標(biāo)開發(fā)板，采集數(shù)字和模擬傳感器數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)采用 I2C 接口與上級(jí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用 VHDL 語言編寫了溫濕度數(shù)字傳感器(SHT1x)和氣壓模擬傳感器(MPX599D)的接口模塊、I2C 輸出接口模塊和總控模塊。制作了與 SPARTAN3A-DSP 與接口電路板，接入模擬、數(shù)字傳感器信號(hào)量。本項(xiàng)目利用FPGA 的可編程特性，搭載不同的傳感器，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載不同傳感器應(yīng)用的能力。I2C 的標(biāo)準(zhǔn)輸出接口也使得系統(tǒng)具有擴(kuò)展連接各類上級(jí)微控器的能力。

1.1 項(xiàng)目背景

在隨著微處理器的發(fā)展，各類設(shè)備日趨向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng) 2009 年已引起了廣泛關(guān)注，據(jù)預(yù)測(cè) 2010 年無線傳感器應(yīng)用將成為最新的電子智能社會(huì)的熱點(diǎn)。隨著材料科學(xué)、電化學(xué)科學(xué)、生物科學(xué)的不斷發(fā)展，新類型的傳感器產(chǎn)品層出不窮。而目前市面上所售的傳感器采集板，都是一經(jīng)定型就無法改變的。FPGA產(chǎn)品的特性在于可以進(jìn)行反復(fù)修改硬件設(shè)計(jì)。為此，產(chǎn)生使用 FPGA 來設(shè)計(jì)各類傳感器接入的思考。其系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)系統(tǒng)接入的傳感器發(fā)生改變時(shí)，可以重新設(shè)計(jì) FPGA接口電路模塊使得其容納新產(chǎn)品。為此，本項(xiàng)目試用 FPGA 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和典型的數(shù)字、模擬傳感器相連，滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。

如圖 1-1 所示，其中，虛線框表示外部自然環(huán)境、圓形表示傳感器，方框表示基于 FPGA 的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，天線表示 I2C 接口設(shè)備、云表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、PC 機(jī)表示用戶終端。

整個(gè)工作流程為：傳感器通過 FPGA 上 的 EXP 接 口與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連。系統(tǒng)通過發(fā)送命令，從傳感器上采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集后，系統(tǒng)將從傳感器采集來的數(shù)據(jù)使用 I2C 接口輸出，例如可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，并最終將結(jié)果輸出到終端。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

圖 1-2. 基于 FPGA 的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖