电子技术在主动式传感器物联网控制系统的应用研究

电子技术在主动式传感器物联网控制系统的应用研究

侯彦杰

中国电子科技集团公司第49研究所

黑龙江省哈尔滨市150028

摘要：传统传感器布局困难、结构复杂，难以保持长期稳定监测。作为一种信息收集和处理技术，无线传感器网络的应用范围正在逐步扩大。通过对主动传感器的开发和利用，设计了主动传感器物联网的控制系统，以确保数据传输的完整性并同时访问多个不同的端口。然而，由于无线传感器网络的运行是动态的，而节点是静态的，数据量大且集中，基站保持固定，传感器节点和基站缺乏灵活性，因此很难动态监控被监控对象并确保系统的控制精度。

关键词：电子技术;主动式传感器;物联网;控制系统；

运用电子技术，优化主动式传感器物联网控制系统，结合控制系统与物联网之间的通信协议，配置外围扩展模块构建系统硬件结构，利用时间驱动控制节点，计算好系统的运行反应时间，控制数据向量，由主动式传感器执行任务。

一、传感器技术简介及应用趋势

1.传感器技术。传感器通过监测被测目标，按照既定规律完成信号传输。由于被测目标以非电物理量为主，输出信号以电量为主，容易影响信息传输效果。在当前科学技术全面发展的背景下，传感器技术得到了优化与创新，在航天与自动化等领域中得到了广泛运用，提高了工业生产效率，也为各学科的创新提供了助力，但目前传感器的种类与数量众多，在不同环境下需选择合适的传感器，确保监测结果精准。

2.传感器的应用方向。传感器在自动化领域中的应用具有重要意义。在自动化测试系统运行阶段，传感器可实现一次性定位，并对感应目标进行快速监测与数据信息传递。但由于传感器类型多样，工作原理存在差异，所以不同传感器应用的领域也有不同。其中电阻应变式传感器的应用范围较广，包含了电力领域、自动化领域以及工业化领域。但监测精度以及监测范围根据具体情况有所不同，一旦超出监测范围，监测结果的精准度也会降低，增加监测成本。为此，在监测中为了提升数据结果的精准度，需要对传感器进行研究。根据不同的监测环境与监测对象，选择合适的传感器完成监测，及时传输监测数据信息，保障数据传输过程的稳定，同时也要避免传感器受到外界环境因素的影响，确保监测结果的精确度。同时对传感器性能进行深入研究，保障传感器性能达到标准化要求。

二、电子技术在主动式传感器物联网控制系统硬件结构设计中的运用

物联网主要包含了感知层、传输层、应用层。其中感知层主要是传感网络、数据采集设备，可完成数据信息传输以及物体探测。传感网络包含了大量的数据采集装置、传感器模块等，不同传感器模块组成数据采集装置。传输层主要是物联网网络控制器，具有远程通信、网络调节功能。

1.协调器模块设计。协调器模块中主要包含了CC2530芯片、输入/输出（I/O）连接器、电源装置。在系统终端进行数据传输时，协调器模块会完成数据信息处理，并向主机发送处理后的数据信息。其中CC2530芯片运行时，电压为2~3.5 V，芯片输出功率绝对值可达到4.5 dBm，有8个模数转换（ADC）信道，信道分辨率为13位。另外芯片配有随机存取存储器（RAM）。配置了通信栈，芯片规格达到256 kB。协调器模块安装复位装置后，可防止芯片使用时电压过高对自身结构造成损坏。

2.通信协议栈设计。运用电子技术，在系统与物联网之间构建交流机制，利用通信协议栈加强信号管控，确保信号传输保持良好状态。其中在系统结构中，芯片作为中转单元，可对传感器所传输的信息进行处理，并完成系统发布的指令。芯片可对数据信息进行分析，由系统下发命令传输到对应单元，建立通信协议栈，在芯片之间完成信息传输与信息转换，同时要做好电压控制工作，保障电压在安全范围内。在协调器模块处理过的数据信息，通过I/O接口传输到对应单元，以固定的波特率，基于终端与协调器模块，构建信息传输途径，并对USB端口进行参数调整，确保系统运行安全稳定，保障系统正常通信。

3.外围扩展模块。在外围扩展模块电路中，网络模块使用DM9000AEP芯片，传输协议为IEEE 802.3，以5G模块作为主要工具，实现动态化网络监督管理，并与控制系统建立联系，实现网络数据信息共享。在辅助模块与处理模块中，通过串行外设接口（SPI），与其余模块之间进行交流，利用芯片作为交流媒介，完成数据格式转换，满足系统结构格式要求。在内部处理器设置通用异步收发器（UART），并归纳到总线级层中，并在系统中增加外围扩展模块，确保系统运行稳定。

4.无线移动节点结构设置。无线移动节点结构主要包含了通信处理单元、电源模块、执行机构单元、传感器单元等。其中传感器单元包含了速度元件、温度元件等，可对现场环境数据信息进行收集。通信处理单元主要由接口传送数据信息，利用主控单片机完成信息处理储存。执行机构单元则根据基站发送的指令，将一部分数据信息传输到基站，通过基站请求完成相应任务。无线移动节点结构层次分明，在维护时也较为方便，可在各种环境中使用。

5.控制环结构。主动式传感器、控制器、执行机构3者之间通过无线连接，构建了物联网控制环结构。控制器节点作为电子技术内核模块，执行/传感器节点是电子技术电池模块，通过无线网络将采集到的传感器节点数据信息发送到控制器节点中，控制器节点则通过事件驱动或者时间驱动等方式，计算系统运行反应时间，并将计算结果传输给执行器节点，由执行器节点对信息传输速度进行有效控制。

三、实验

1.实验网络拓扑结构设计。在实验中将网络拓扑结构分为3个层次，其中包含了应用层、感知层、传送层。其中感知层可完成自动监测与数据信息采集。物联网控制系统在传送层工作时，具备网络调节功能与远程通信功能，应用层则需要根据数据处理，为客户提供相应的服务，并对多种通信设备信息进行有效处理。

2.实验步骤。利用Intel Core i7-9700K型号与3.6 GHz内存的CPU，可高效完成系统指令处理工作，并使用500 GB硬盘完成实验存蓄工作，64 GB硬盘可完成实验过程数据信息处理与结果储存工作，在NVIDIA RTX2060显卡中，通过驱动可完成界面显示，使用Windows8.1操作系统进行辅助，确保系统相关操作得到有效落实。

3.实验结果与分析。（1）对不同主体控制系统实验阶段的各项数据信息进行归纳与整理，对比系统运行反应时间。以ZigBee为主的控制系统，运行反应时间维持在2.7 s左右，而基于TrueTime的控制系统运行反应时间一般为2.4 s左右。基于电子技术的主动式传感器物联网控制系统运行反应时长则保持在0.6 s左右。可见，在获取数据信息时，以电子技术为核心所形成的控制系统，反应时间较短。（2）对不同主体控制系统的电压控制效果进行对比分析。发现以ZigBee为主的控制系统在启用后，超调量过大，电压有所波动，但波幅处于安全范围内。以TrueTime为主形成的控制系统运行反应速度较为缓慢，电压波动较大，也未超出规定范围。而基于电子技术形成的主动式传感器物联网控制系统运行超调量最低，电压波动最小，电压控制较为精准。

总之，基于电子技术的主动式传感器物联网控制系统，相对于传统传感器物联网控制系统运行反应速度加快，而且电压控制精准性较高，能够实现主动式传感器物联网不同数据的传输与交互。系统通过模糊处理，能够保障最终数据信息结果的精准性，整体性能良好。在本次研究中，电子技术主要应用于主动式传感器物联网控制系统硬件与软件中，其中主要包含了协调器模块设计、通信协议栈设计、外围扩展模块设计、无线移动节点结构设计、控制环结构设计；以及基于电子模拟技术的模糊规则设计以及控制流程设计，最终通过实验印证了基于电子技术的主动式传感器物联网控制系统具备良好的性能，可高效获取物联网拓扑结构中的数据，并保障数据信息传输的稳定性，为系统运行奠定基础。

参考文献：

[1]王凤英，基于电子技术的主动式传感器物联网控制系统设计.2022.

[2]刘双汝.浅谈电子技术在主动式传感器物联网控制系统的应用.2023.