CN101211500A - 多收发器微型超低功耗智能无线传感器 - Google Patents

Abstract

多收发器微型超低功耗智能无线传感器，在现代的通信技术领域中，无线传感器网络的一个关键问题是传感器节点的实现问题，但是对于一些特殊的环境中传感器节点维护十分困难甚至不可维护。因此需要一种多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其包括：一组处理器板(2)和与其连接的一组传感器板(1)，所述的传感器板(1)上装有传感器模块(8)，所述的处理器板上装有一组无线传输模块(4)、主控模块(6)、数据存储模块(5)、电源管理模块(7)、数据接口模块(3)，所述的主控模块(6)通过数据总线与所述的无线传输模块(4)、数据存储模块(5)、电源管理模(7)块相连，通过数据接口模块(3)和传感器模块(8)相连。本发明用于无线电通信中。

Description

多收发器微型超低功耗智能无线传感器

技术领域：

本发明涉及一种通信领域中用于构建无线传感器网络的装置，具体涉及一种多收发器微型超低功耗智能无线传感器。

背景技术：

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注，这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户，传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。

由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资34 000 000美元，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。传感器、感知对象和观察者是传感器网络的3个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点(传感器)可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。节点间以Ad Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

无线传感器网络的一个关键问题是传感器节点的实现问题。在无线传感器网络中，传感器节点一般由电池供电，而且传感器数量大、分布范围广，需要分布在各种各样不同的环境中，如敌对区域、危险区域、人迹罕至或无人区域，在这些环境中，传感器节点维护十分困难甚至不可维护。因此能够长期在不同环境下(尤其是恶劣环境)工作的微型传感器是实现传感器网络的关键问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于构建无线传感器网络的具有多个无线通信模块的微型、超低功耗，并且实现在不同环境下长期、稳定、可靠地工作，并提供较强的通信、处理和大数据量的存储能力的多收发器微型超低功耗智能无线传感器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其包括：一组处理器板和与其连接的一组传感器板，所述的传感器板上装有传感器模块，所述的处理器板上装有一组无线传输模块、主控模块、数据存储模块、电源管理模块、数据接口模块，所述的主控模块通过数据总线与所述的无线传输模块、数据存储模块、电源管理模块相连，通过数据接口模块和传感器模块相连。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的主控模块由一个单片微控制器U1和LED状态指示单元组成，所述的微控制器U1是该装置的核心控制部分，用来控制无线传输模块、传感器模块、外部数据存储器模块、电源管理模块、数据接口模块，所述的LED状态指示单元由三个LED和单片微控制器U1相连，作为系统工作状态的外部指示。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的两个无线传输模块，每个无线传输模块由一个单片无线收发器和一个PCB天线组成，其按照主控模块的要求控制数据的无线传输，所述的无线模块通过数据总线直接与主控模块的U1相连接。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的无线模块同时使用不同的频道进行数据的发送和接收。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的传感器模块由噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元和加速度采集单元、放大电路和电子开关构成。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的数据存储器模块由U12构成，通过SPI接口与单片微处理器U1相连。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的电源管理模块由电源管理芯片U4构成，电源管理芯片U4通过和单片微处理器U1相连的信号线，检测电源的健康状况，根据需要对电源进行智能控制，实现稳定的供电。

上述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，所述的数据接口模块由JTAG接口、UART串行数据接口构成。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本发明传感器结构中的主控模块通过数据总线直接与温湿度传感器、光强传感器相连接。使系统在不另加传感器模块的情况下，也能实现温湿度、光强信息的采集，增加无线通信的带宽，减少无线通信冲突，提高数据通信的实时性、可靠性和吞吐量，降低无线通信的能量消耗。

2.本发明传感器，具有两个可独立工作的无线传输模块，并且该传感器所有器件均采用低功耗器件，主控模块、无线传输模块、传感器模块均可通过编程单独控制它们的工作状态，其中主控模块可工作于活动和低功耗状态，在活动状态下，可以通过频率选择，使微控制器U1在32kHz、1MHZ、4MHz和8MHz四个主频率或者分频进行工作；两个无线传输模块可以工作于活动、低功耗和掉电三个状态，在活动状态下，可以通过选择使无线模块工作在18db、10db、6db、0db四种发射功率；多个传感器模块和传感器都可以工作于活动和断电二个状态，并可通过编程独立控制其状态，各个传感器还可以通过编程控制其采样频率，从而降低传感器的能量消耗；

通过编程控制节点的工作状态，可以使节点在不同的情况下工作在最低功耗状态，从而实现整个节点的低功耗。

3.本发明传感器，同时具有无线通信、计算、存储和传感器功能，且多个无线模块可以同时工作，同时进行数据的发送和接收，其无线通信距离不小于100米，存储能力大于8M字节。

4.本发明传感器，可以低电压、超低功耗工作，其最低工作电压为0.87V，在待机状态下，工作电流＜8uA，低功耗工作状态，工作电流＜500uA。使用2节AA电池供电，最长可工作2年以上。

5.本发明传感器，其中所述的传感器模块采用物理上独立、分离、多层结构设计，这不但有利于节点的微型化，而且使传感器模块具有良好的可扩展性，可以根据需要单独更换或增加传感器，目前的传感器模块最多可支持32个传感器。

6.本发明传感器，无线传输模块采用pcb天线设计，增强了系统通信的稳定性、可靠性和对外界噪声的抗干扰能力，所有器件均采用工业级的芯片，提高了系统的抗干扰性、可靠性和温度适应范围，使其能够适应各种复杂的工作环境；无线传输模块具有独特的载波监测输出、地址匹配输出、就绪输出功能，不但能有效地避免无线通信碰撞，而且还可通过软件设定地址，使节点只有在收到本机地址时才接收数据，非常适合点对点、点对多点无线通信，无线模块内置完整的通信协议和CRC，通过SPI即可实现数据的无线传输。

7.本发明传感器，摆脱了时间、地点、条件和供电能力的限制，可在任何时间、任何地点、任何条件下协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息。

8.本产品的主要特点是多个无线传输模块可以同时进行数据的发送和接收，增加无线通信的带宽，减少无线通信的能量消耗，提高数据通信的实时性、可靠性和吞吐量，降低无线通信的能量消耗，延长整个网络的寿命，它同时具有无线通信、计算、存储和传感器功能，可同时进行多路无线通信，它突破了地域和能源的限制，能够以无线AdHoc方式构成无线传感器网络，实现了协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并与上位机进行数据通信。

附图说明：

图1是本产品处理板的结构示意图；

图2是本产品的传感器的结构示意图；

图3是本产品的结构示意图；

图4是主控模块的原理图；

图5是无线传输模块的原理图；

图6是电源模块和存储器模块的原理图；

图7是传感器模块中的噪声，光和温度采集部分的原理图；

图8是传感器模块中的磁力和加速度采集的原理图；

图9是数据接口模块的原理图。

附图中电路芯片上或线路上具有相同或相同数字的线路之间具有连接关系。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

一种多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其包括：一组无线传输模块、主控模块、传感器模块、数据存储模块、电源管理模块、数据接口模块，所述的主控模块通过数据总线与两个无线收发模块、数据存储模块、电源管理模块相连，通过接口J1、J2、J3和传感器模块相连，主控模块通过数据总线直接与温湿度传感器、光强传感器相连接。使系统在不另加传感器模块的情况下，也能实现温湿度、光强信息的采集。

主控模块主要由一个单片超低功耗微控制器U1和LED状态指示单元组成。U1是该装置的核心控制部分，用来控制无线传输模块、传感器模块、外部数据存储器模块、电源管理模块、数据接口模块，使各个模块按照预定的模式进行工作。LED状态指示单元由三个LED和单片微控制器相连，作为系统工作状态的外部指示。

所述的两个无线传输模块，每个无线传输模块主要由一个单片无线收发器和一个PCB天线组成，其主要功能是按照主控模块的要求控制数据的无线传输，无线模块通过数据总线直接与主控模块的U1相连接，多个无线模块可以同时使用不同的频道进行数据的发送和接收，增加无线通信的带宽，减少无线通信冲突，提高数据通信的实时性、可靠性和吞吐量，降低无线通信的能量消耗。

传感器模块主要由噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元和加速度采集单元、放大电路和电子开关等构成。噪声采集单元应用麦克M0采集外界噪声，经过放大器U6放大后，传输给接口J12；温度采集单元应用集成温度传感器U7采集外界温度，然后直接传输给接口J12；光强采集单元应用光敏电阻RT1采集光强信号，然后直接传输给接口J12；磁力强弱采集单元应用双轴磁力传感器U9采集平面上X轴和Y轴的磁场强弱信号，经过放大器U10处理后，然后直接传输给接口J12，加速度采集单元应用加速度传感器U8采集平面上X轴和Y轴两个方向上的加速度的变化情况。所有汇集到J12的信号，都需要通过J12传输给单片微处理器U1进行下一步处理。接口J1、J2、J3和J12相接，作为微处理器U1和传感器板之间信号传输的通道，单片微处理器U1通过J3控制传感器板上的各个信号采集单元。J1和J12相联，作为传感器板向单片微型处理器U1传输它所采集信号的通道，这些信号在单片微处理器内部进行A/D转换、处理，然后进行存储或转发；

J1、J2、J12、J13把分离的微处理器板和传感器板连接起来，由于J1、J2和J12、J13分别位于微处理器板和传感器板的两侧，使得微处理器板和传感器板形成稳定的多层结构。传感器板上的电子开关U5，根据单片微处理器的信号决定是否给各个传感器单元模块进行供电；

外部数据存储器模块主要由U12构成，它通过SPI接口与单片微处理器U1相连，实现数据的大容量存储；

电源管理模块主要由U4构成，负责管理整个装置的供电。电源管理芯片U4通过和单片微处理器U1相连的信号线，检测电源的健康状况，并且根据需要对电源进行智能控制，实现稳定的供电；

数据接口模块主要由J7、J5构成，其中J7是JTAG接口，J5是UART串行数据接口，单片微控制器U1通过J7和外接的JTAG编程器，实现U1的在线编程。单片微控制器U1通过J5和上位机的UART串行数据接口连接，实现传感器节点和上位机之间的数据通信。

实施例2：

由图1-9可知，本发明的微处理器U1是传感器的核心单元，主要用于感知数据的处理和存储，以及感知数据的采集、无线收发、能量管理和电源管理等的控制。为了降低功耗，本发明采用美国TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430F1611芯片，它具有16位RISC结构，CPU中的16位寄存器和常数发生器使MSP430微处理器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗，数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。两个内置的16位定时器，一个快速12位A/D转换器。由图2可知，单片微处理器U1采用双晶振设计，在通常工作状态下，使用外部8M高速晶振，通过分频也可以在1MHZ、4MHz状态下工作，而低功耗时则启用低速32.768k晶振，使系统进入低功耗运行状态。系统可应用自身的12位A/D转换器，对外接信号进行采集。ADC0采集3v电池的健康状况，ADC1用来采集温度信号，ADC2用来采集光强信号，ADC3用来采集X轴的振动强弱，ADC4用来采集Y轴的振动情况，ADC5用来采集外界噪声的大小，ADC6用来采集X轴磁力强弱的变化，ADC7用来采集Y轴磁场变化情况；INT1，INT2为光敏传感器和温度传感器提供工作电压，INT3，INT4为磁力传感器的使能信号；IN5，INT6，INT7分别控制噪声，磁力加速度，磁力的电源信号。图2中R32和R33为A/D转化通道提供外部参考电压。DC BOOST SHUTDOWN为控制电源关断的控制信号，以便使电源工作在低功耗模式，P3.0，P3.1，P3.2，P3.3的SPI功能作为连接外部数据存储器的通道，P3.4，P3.5为和上位机通信的串行口。P4.0-P5.3为U2的控制信号线。P5.4-P5.6分别控制外部连接的LED用来观察节点的工作状态。RET，TDO，TDI，TCK，TMS为微处理器的JTAG编程口，J1、J3为控制板和传感器板的接口部分，分别和J11，J12相连，J5为单片微处理器U1和上位机串行通信的接口电路。

图5为无线传输模块，其中U2是低功耗单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，工作于2.4GHz频道，频道之间的转换时间小于650us。U2由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，能够自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微处理器通信。此外，U2的功耗非常低，以-18dBm的输出功率发射数据时电流只有7mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，便于实现低功耗控制。U2片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。无线传输模块采用PCB天线，使无线传输模块工作更加稳定，抗干扰性更强。

如图6所示，数据存储器U12通过SPI数据线直接和单片微处理器相连，U12为8M的Flash，实现了大数据量的存储，它采用三线串行读写方式，读写方便快捷，易于编程实现。

电源模块通过接口J14直接和两节AA电池相连，通过开关S1控制电源的导通与关闭，电源电压通过ADC0连接到单片微处理器，使微处理器能实时检测电源的健康状况。电源管理芯片U4为DC/DC转换芯片，U4可以传感器节点在较低的电压下工作，对于普通的两节AA电池，只要电压大于0.9V，U4就能通过DC/DC转换稳定输出3.3V电压。在外部电源提供的电压不低于2.0V时，或系统处于低功耗状态时，可以使电源模块处于关闭模式，即使其工作在低功耗状态，在关闭模式下，外部电源不经过U4的DC/DC转换，直接给系统供电。U4的工作电流为37uA，而在关闭模式下，只有2uA的控制电流。

采用红、黄、绿三个颜色的LED连接到微处理器，可以通过程序控制LED，工作在不同的工作状态，可以根据LED的状态，判断系统的工作状态。

如图7所示，J1和J3为传感器板和处理器板的J11和J12连接的接口，J11和J12分别设置在处理器板的两侧，使得传感器板和处理器板稳定的连接。U5为控制整个处理器板的能量的电源开关，可以根据微处理器U1的命令，使能处理器板上的各个传感器模块。U6为语音放大芯片，直接连接到小麦克风M0，将M0传递过来模拟信号放大后，通过处理器板上的接口连接到微处理器U1进行A/D转换。对外界光强的采集是通过光敏电阻RT1实现的，由于采集的电压信号适合于微处理器的A/D转换，所以直接对采集的电压进行采集。通过U7进行温度信号的采集，采用集成元件降低系统的功耗，提高信号采集的精度和灵敏度。

如图8所示，加速度传感器单元采用双轴加速度采集芯片ADXL202采集水平面上X，Y轴的加速度的变化，磁力传感器HMC1052用来采集节点附近磁场的变化，可以同时检测两个方向上磁场的变化，采集的信号经过放大器放大后，进行A/D转换。

图9为数据接口模块，它采用3V工作电压的MAX3224进行电平转换，J18和传感器板上的J5相连，实现微处理器和上位机的串行通信。

实施例3：

本发明的工作原理和功能：

微处理器是节点的核心，它控制着节点所有的活动。根据不同的应用，节点大体可分为两类，一类直接和上位计算机相连，是网络中的根节点。另一类为普通的传感器网络节点。

普通的节点的工作原理如下：

(1)系统上电后，初始化微处理器，设置定时器，关断电源，然后使之进入低功耗模式。

(2)定时时间到，自动激活微处理器，微处理器启动电源模块，使其为整个系统供电。

(3)微处理器初始化无线收发模块使之工作在接收模式，检测是否有信号。如没有信号则转向步骤(6)；如果有信号则接收、存储数据。

(4)微处理器根据信号的指令执行相应的操作，使能各个传感器模块，采集相关的环境信息，存储采集的信息。

(5)为处理根据一定的算法处理接收到的数据和自己采集的环境信息。再按照一定的路由协议将得到的信息进行转发。

(6)微处理器开定时器，关断电源，进入低功耗模式。

根节点直接和上位机相连，首先是接收计算机的命令，然后按照上位机给出的路由算法向自己附近的节点发送命令，然后等待网络中的节点反馈回所需要的信息，供给上位计算机使用。

Claims (8)

1.一种多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其包括：一组处理器板和与其连接的一组传感器板，其特征是：所述的传感器板上装有传感器模块，所述的处理器板上装有一组无线传输模块、主控模块、数据存储模块、电源管理模块、数据接口模块，所述的主控模块通过数据总线与所述的无线传输模块、数据存储模块、电源管理模块相连，通过数据接口模块和传感器模块相连。

2.根据权利要求1所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的主控模块由一个单片微控制器U1和LED状态指示单元组成，所述的微控制器U1是该装置的核心控制部分，用来控制无线传输模块、传感器模块、外部数据存储器模块、电源管理模块、数据接口模块，所述的LED状态指示单元由三个LED和单片微控制器U1相连。

3.根据权利要求1或2所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的两个无线传输模块，每个无线传输模块由一个单片无线收发器和一个PCB天线组成，其按照主控模块的要求控制数据的无线传输，所述的无线模块通过数据总线直接与主控模块的U1相连接。

4.根据权利要求3所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的无线模块同时使用不同的频道进行数据的发送和接收。

5.根据权利要求1所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的传感器模块由噪声采集单元、温度采集单元、光强采集单元、磁力采集单元和加速度采集单元、放大电路和电子开关连接而成。

6.根据权利要求1所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的数据存储器模块由U12构成，通过SPI接口与单片微处理器U1相连。

7.根据权利要求1所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的电源管理模块由电源管理芯片U4构成，电源管理芯片U4通过和单片微处理器U1相连的信号线，检测电源的健康状况，根据需要对电源进行智能控制，实现稳定的供电。

8.根据权利要求1所述的多收发器微型超低功耗智能无线传感器，其特征是：所述的数据接口模块由JTAG接口、UART串行数据接口构成。

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