CN101227203A - 一种微型自适应配置式无线传感器网络设备 - Google Patents
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Abstract
一种微型自适应配置式无线传感器网络设备包括网关部分和节点部分，网关和节点通过无线的方式传输数据，并且可以使用任何一种拓扑结构组成网络；网关部分包括第一PC接口模块(11)、第一RF模块(12)、第一控制模块(13)和第一电源模块(14)；节点部分包括第二PC接口模块(21)、第二RF模块(22)、第二控制模块(23)、传感器模块(24)和第二电源模块(25)；该设备经济实用，使用开放无线电频段，可实现自组织联网的基于IEEE802.15.4标准的微型无线数据收发设备。
Description
技术领域
本发明是一种使用开放无线电频段，可实现自组织联网的基于IEEE802.15.4标准的微型无线数据收发设备。属于无线数据收发设备设计和制造的技术领域。
背景技术
近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统(MEMS，micro-electro-mechanism system)等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络就是由许多这些传感器节点协同组织起来的。传感器技术是信息获取的最重要也是最基本的技术。从目前的进展来看，所有现存的事物、状态、过程和演进都可以用物理量来描述，这个量就含有信息，可以用传感器来获得。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。同时，传感器信息获取技术从单一到集成化、微型化，进而智能化、网络化，成为信息获取的新手段，从而出现无线传感器网络技术和相应的应用。
无线传感器网络最初来源于美国先进国防研究项目局(DARPA-DefenseAdvanced Research Projects Agency)的一个研究项目，当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动。但是由于当时技术条件的限制，使得无线传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和发展。近年来随着相关联技术的发展，使得无线传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广，国外各个研究机构对它的研究也正方兴未艾。
由于无线传感器网络可以实时检测、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。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、环境检测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感网络是信息感知和采集的一场革命，传感网络尤其是无线传感网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。
无线传感网络中的节点可以自由移动，以Ad Hoc方式构成无线网络，网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断的动态变化。同时，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，而且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。Zigbee技术是无线传感网络技术典型特征，以低速、低成本、低功耗、网络可延展成为当前学术界企业界共同的关注的热点技术，无线收发设备是无线传感网络节点功能实现的关键部件。
Crossbow公司开发的无线传感器节点Mica，处理器芯片采用Atmel公司的AVR系列，无线收发模块采用RFM公司的TR1000或者Chipcon公司的CC1000，外加相应传感器接口，实现了无线传感器节点，具体实物如图1所示。
现有技术的缺点：
1.Atmel的AVR单片机功耗较大，不能完全满足无线传感器网络中苛刻的功耗要求。
2.无线收发模块可以工作在ISM频段，但都是只能运行在ISM频段的915MHz或868MHz，这两个频段并不能全球通用。其中900MHz-928MHz只适用于美洲大陆，868MHz-870MHz只适用于欧洲大部分地区。ISM频段中只有2.4GHz是全球通用的。
3.无线收发模块的通信速率有限，其中TR1000的速率为115kbps，而CC1000的速率只有78.6kbps。对于某些应用，过低的传输速率会成为系统的瓶颈所在，影响整个网络的性能。
4.无线收发模块不支持Zigbee协议，给特定的无线传感器网络应用，带来一定的麻烦。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种微型自适应配置式无线传感器网络设备，该设备经济实用，使用开放无线电频段，可实现自组织联网的基于IEEE802.15.4标准的微型无线数据收发设备。
技术方案：首先对本发明中的缩略语和关键术语定义：
WSN：Wireless Sensor Networks 无线传感器网络
PC：Personal Computer 个人电脑
RF：Radio Freqency 射频
LED：Light-Emitting Diode 发光二级管
USB：Universal Serial Bus 通用串行总线
JTAG：Joint Test Action Group 联合测试行动小组
ZigBee：是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
Zigbee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网(Personal AreaNetwork，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。
本发明有机地将新兴的短距离、低速率无线网络技术ZigBee和应用广泛的嵌入式单片机系统相结合，从而为数据采集提供了无线透明传输的功能，同时把检测的信息传送到PC机上显示，使用户能够实时直观的了解所需的环境参量，如环境温度、湿度、光照度、电磁场强度等等，为用户的后续操作打下了基础。更具体地，本发明可以用来充当无线传感器网络的网关和普通节点，使用开放的可配置接口，用户可以根据需要使用适当的传感器来采集相应的环境物理量，从而可以远程了解其他地方的各种环境参数。主要内容在于具体实现的电路，分为网关电路和普通节点电路来分别说明。
首先介绍网关电路的设计。
网关电路板负责对各节点传感器数据的汇聚、处理以及和外界网络的通信。采用模块化设计，根据这个思路，在板上设计有控制模块、射频模块(可拆卸)和PC接口模块，最后设计有电源模块为整个电路板供电。
其中RF模块的主要功能是完成无线通信功能，接收节点送来的传感器数据以及发送命令帧给相应的节点。模块设计成可拆卸式。可以根据不同场合的要求使用不同的RF模块，从而实现不同频率、不同速率的传输。
控制模块的主要功能是控制网关板各单元的协调工作，包括给RF模块发送相应的指令实现射频通信，给PC接口模块发送相应的指令实现数据的交互。同时还包括响应板上的按键事件，使能相应的LED灯指示系统所处的状态等等。
PC接口模块的主要功能是完成网关板和外界设备(如PC)的数据交互，包括把收集到的传感器数据发送给外界设备以及接收外界设备的命令请求。板上同时设计有USB口和串口来实现与PC机的通信，以满足不同的需求。USB口速度快，现已成为PC机的标配接口，但是开发较为复杂。串口速度较慢，并且应用场合逐渐缩小，但是开发方便，有助于节省开发周期。
电源模块为整个设备提供稳定的电源。设计有两种供电方式，其一为USB口供电，其二为外接电源供电。设计有跳线用来选择不同的供电方式。
其具体工作原理是：射频模块接收普通节点发送的环境数据信息，经过PC接口模块把相应的数据发送给PC机显示。同时控制模块使用单片机来协调整个设备各模块的分工合作，完成相应的功能。
其次介绍节点电路的设计。
节点电路板负责响应网关的请求，采集数据并且发送给网关。根据这个思路，在板上设计有控制模块、射频模块(可拆卸)、传感器模块(可拆卸)和PC接口模块(可拆卸)。传感器模块设计为可配置式，可根据不同应用情况选用不同的传感器，来完成特定的要求。最后设计有电源模块为整个电路板供电。
其中RF模块的主要功能是完成无线通信，接收网关送来的命令帧以及发送传感器采集的数据给网关。模块设计成可拆卸式，可以根据不同场合的要求使用不同的RF模块，从而实现不同频率、不同速率的传输。
控制模块的主要功能是控制节点板各单元的协调工作，包括给RF模块发送相应的指令实现射频通信，给传感器模块发送相应的指令要求传感器采集数据。同时还包括响应板上的按键事件，使能相应的LED灯指示系统所处的状态等等。
PC接口模块的主要功能是完成节点板和外界设备(如PC)的数据交互，把数据发送到外界设备上以便观察传感器采集到的物理量信息。该模块只在调试时使用，所以设计成可拆卸式，单独做成一块子板，正常运行时不需要此模块。
电源模块使用双供电方案。在调试时使用外接电源供电，节省成本，并且这部分电源模块做成可拆卸式的子板；在实际使用时，使用两节1.5V五号电池供电，这部分电源模块做在节点板上。
该设备包括网关部分和节点部分，网关和节点通过无线的方式传输数据，并且可以使用任何一种拓扑结构(如星型结构，Mesh结构)组成网络；网关部分包括第一PC接口模块、第一RF模块、第一控制模块和第一电源模块；其中，第一控制模块分别与第一PC接口模块和第一RF模块相连接；第一PC接口模块负责与PC机的数据交互，第一RF模块完成无线通信功能，实现数据的无线传输，第一控制模块使用单片机控制整个设备的运行，第一电源模块为整个设备供电；节点部分包括第二PC接口模块、第二RF模块、第二控制模块、传感器模块和第二电源模块；其中，第二控制模块分别与第二PC接口模块、第二RF模块、传感器模块相连接；第二PC接口模块负责与PC机的数据交互，第二RF模块完成无线通信功能，实现数据的无线传输，第二控制模块使用单片机控制整个设备的运行，传感器模块采集周围环境的物理量，第二电源模块为整个设备供电。
网关设备与PC机多接口——串行接口和USB接口的设计电路，即第一PC接口模块的电路设计，设备既可以通过串口，也可以通过USB口与PC进行通信。启动后自动配置的设计思路。网关设备的第一PC接口模块中的USB接口部分使用CY68013A芯片，该芯片具有上电后根据PC机的配置文件自动下载固件程序的功能。只要正确设置PC机上的配置文件，网关设备上电后即能正常运作，实现和PC机的通信，而不需要额外的手动操作。
网关设备的USB口直接供电和外接电源供电两种供电方式。当使用USB口直接供电时，只要和PC机通过USB线连接起来，网关设备即能上电成功。同时结合权利要求3所述的启动后自动配置的设计思路，该设备可以实现随处接入随处使用的功能，大大增强了系统的移动性能。
第一控制模块通过第一连接线、第二连接线和第三连接线与第一PC接口模块相连；第一控制模块通过第四连接线与第一RF模块相连。第二控制模块通过第五连接线与第二PC接口模块相连；第二控制模块通过第六连接线与第二RF模块相连；第二控制模块通过第七连接线与传感器模块相连。
其具体工作原理是：传感器模块采集环境的物理量信息，经过射频模块发送给网关，同时在调试时可以把传感器模块采集的环境物理量经过PC接口模块发送给PC机显示。控制模块使用单片机来协调整个设备各模块的分工合作，完成相应的功能。
本发明用于解决基于Zigbee标准的数据传输问题，即可使单个或多个ZigBee数据终端通过本发明，以无线方式将其各自的数据传送给网络中的ZigBee网关，网关负责为建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参数。由于路由器和终端设备被整合到网络之中，所以它们从网关或从任何已经处于网络中的路由器那里可以获得有关网络的信息。这些信息可以让其他设备设置操作参数，并因此加入网络之中。特别需要说明的是，本发明可以很好的解决无线传感器网络中采集数据和无线传输数据的要求。并且可以根据需要连接不同的传感器，适用各种场合各种条件下的应用，具有很强的通用性。
有益效果：
1.根据不同环境情况选用不同射频模块，保证了网络的自适应性。
2.设备上设计有多个LED灯用来指示设备的状态，用户使用时可以很清楚的了解该设备当前正在进行的工作。
3.开放频段的设计考虑，用户不必顾虑走无线公网带来的流量费用增加和信息安全问题。
4.高可靠低成本的MCU平台设计，使用单片机控制整个设备的运行。采用JTAG口实现在线编程，使用户能实现个性定制无线传感器网络架构，同时可以实现用户特定的需求。
5.可以扩展连接不同的传感器，使得本发明可以适用各种场合的要求，采集不同的环境信息。发明具备很强的可扩展性。
6.同时设计有USB口和串口，可以根据开发周期和传输速率的权衡选用不同的接口，实现与PC机的数据交互。
7.大部分模块设计为可拆卸式，在调试时使用，实际运行时可以卸下。这样既方便了对电路板的调试，又可以最大程度缩小实际电路板的尺寸，实现传感器节点的微型化。
8.微型体积且选用芯片时考虑了功耗要求，在保证性能的情况下，选用低功耗芯片，可以满足无线传感器网络的功耗的苛刻要求。
其在线可编程的设计方法，使用户能实现个性定制无线传感器网络架的网络架构，也就是不需要进行繁琐的布线就可以在企、事业单位的一些室内外应用场合，提供一种短距离、不受障碍物影响、成本低、抗干扰性强、易于扩展的无线数据传输方式，客户可以方便、快捷地使用该设备进行数据传输，在家庭信息网络中，在工业现场环境中，在临时集会中，在野外勘测试验中，在军事公安突发行动中等应用中快速布网，完成数据采集处理与传输，不仅可以免除线路施工成本，其开放频段的设计也保证了网络可靠性，同时还不必顾虑走无线公网带来的流量费用增加和信息安全问题。特别是其可扩展的传感器设计，使得该设备几乎可以适用于一切场合的需要，只要选用不同的传感器即可。
附图说明
图1是微型自适应配置式无线传感器网络设备系统框图，其中有：网关设备第一PC接口模块11、第一RF模块12、第一控制模块13、第一电源模块14。以及节点设备第二PC接口模块21、第二RF模块22、第二控制模块23、传感器模块24和第二电源模块25。
图2是网关设备第一控制模块电路原理图。
图3是网关设备第一PC接口模块电路原理图，包括USB部分和串口部分。
图4是网关设备第一RF模块电路原理图。
图5是网关设备第一电源模块电路原理图。
图6是节点设备第二控制模块电路原理图。
图7是节点设备第二PC接口模块电路原理图。
图8是节点设备传感器模块电路原理图，其中传感器使用了SHT7x系列温湿度传感器。
图9是节点设备第二RF模块电路原理图。
图10是节点设备第二电源模块电路原理图，包括电池供电部分和外接电源供电部分。
具体实现方式
·RF模块
RF模块设计成可拆卸式，可以根据不同的网络状况选用不同的RF芯片。建议使用Chipcon公司的CC2420芯片实现无线通信功能。
CC2420是挪威Chipcon AS公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通信系统。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18μm CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。CC2420与处理器的连接非常简便，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态；处理器通过SPI接口(MISO、MOSI、SCK)与CC2420交换数据，发送命令。
·传感器模块
传感器模块设计成可配置式，可依据所需环境物理量信息的不同选用不同的传感器芯片。在测试时，选用了SENSIRION公司的SHT7x系列温湿度传感器。
SHT7x采用SENSIRION公司的专利CMOS工艺(CMOSenstechnology)制造，大幅降低了功耗，并为提高稳定性提供了前提。SHT7x内部包括一个电容性的感知元件，用来感知温度及湿度，感知的结果无缝的与一个14bit模数转换器连接，再通过集成在同一片子里的串行电路输出转换结果。这样的设计保证了高质量的输出信号、快速的反应时间、对外界干扰的隔离(符合EMC标准)。每个SHT7x在出厂时都单独在一个精确控制湿度的房间中校准过，所得的校准系数都放入了内部集成的OTP存储器中。这样，长时间工作SHT7x也能保证其性能的稳定性。SHT7x采用2线串行总线，使得系统搭建即简单又快速，大大缩短了开发周期，节省了开发成本。
·控制模块
该模块选用TI公司的微处理器MSP430F149。MSP430F149是MSP430单片机家族中的一员，其最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1μA～400μA之间，RAM在节电模式耗电为0.1μA，等待模式下仅为0.7μA。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电，所以控制模块采用MSP430F149是最佳的选择。MSP430F149采用16位RISC结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度(8M晶体驱动，指令周期125ns)、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。另外，MSP430F149的运行环境温度范围为-40℃～+85℃，可以适应各种恶劣的环境。
同时MSP430F149具有丰富的片内设备可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功耗和体积，考虑到MSP430F149在性能上的出色表现，本设计中控制模块选用MSP430F149。
·PC接口模块
网关电路板上设计有两种PC接口模块，分别选用不同的芯片实现。
串行接口选用MAXIM公司的MAX3232，MAX3232是低功耗、高速串口传输电平转换芯片，它内藏两个接收器和两个驱动器，数据传输速率可以达到1Mbps。可以使设备与PC机进行较为快速的数据交互。并且开发方便，可以有效地缩短开发周期。
USB接口使用Cypress公司的CY68013A芯片，CY68013A实际上是一种内嵌增强型8051的带USB接口的单片机，主要包含USB引擎、8051内核、RAM接口、GPIF接口、并行接口和串行接口等。同时CY68013A采用了低功耗设计，很好地适应了对功耗的要求。对CY68013A的编程，实际上是对其中8051单片机的编程，开发较为容易，在提供高速传输速率的情况下，也能较好的满足开发周期的要求。同时CY68013A可以很容易地实现自配置，即和PC机连接后自动选择下载相应的固件程序，可以使网关板适应不同的场合需要，完成不同的功能。
节点电路板上只设计有串行接口，采用和网关电路板相同的设计，并且设计成可拆卸式，只在调试时使用。
·电源模块
整个设计使用3.3V电压供电，需要提供3.3V的稳定电压。
电源模块采用多种设计，以灵活地满足调试和实际运行时的供电要求。在网关电路板上，设计有USB口直接供电和外接电源供电。外接电源先经过MC7805“”芯片转换成稳定的5V电压，再经过AAT3221芯片转换为3.3V电压，作为整个电路板的供电电压。因为USB口直接提供5V电压，所以也设计有USB口输入电压经过AAT3221芯片转换为3.3V电压，作为整个电路板的供电电压。
节点电路板上，设计有电池供电模块和外接电源供电模块。实际运行时，可使用两节五号电池经过TPS60101芯片转换成3.3V电压，作为整个电路板的供电电压，也可以使用外接电源供电经过MC7805和AAT3221芯片转换成3.3V电压，作为整个电路板的供电。其中，使用外接电源的电源模块设计成可拆卸式，只在调试时使用。
Claims (4)
1.一种微型自适应配置式无线传感器网络设备，其特征在于该设备包括网关部分和节点部分，网关和节点通过无线的方式传输数据，并且可以使用任何一种拓扑结构组成网络；网关部分包括第一PC接口模块(11)、第一RF模块(12)、第一控制模块(13)和第一电源模块(14)；其中，第一控制模块(13)分别与第一PC接口模块(11)和第一RF模块(12)相连接；第一PC接口模块(11)负责与PC机的数据交互，第一RF模块(12)完成无线通信功能，实现数据的无线传输，第一控制模块(13)使用单片机控制整个设备的运行，第一电源(14)模块为整个设备供电；节点部分包括第二PC接口模块(21)、第二RF模块(22)、第二控制模块(23)、传感器模块(24)和第二电源模块(25)；其中，第二控制模块(23)分别与第二PC接口模块(21)、第二RF模块(22)、传感器模块(24)相连接；第二PC接口模块(21)负责与PC机的数据交互，第二RF模块(22)完成无线通信功能，实现数据的无线传输，第二控制模块(23)使用单片机控制整个设备的运行，传感器模块(24)采集周围环境的物理量，第二电源模块(25)为整个设备供电。
2.根据权利要求1所述的一种微型自适应配置式无线传感器网络设备，其特征在于第一PC接口模块(11)的USB接口部分通过通过第一连接线(15)和第二连接线(16)与第一控制模块(13)相连；第一PC接口模块(11)的串行接口部分通过第三连接线(17)与第一控制模块(13)相连。
3.根据权利要求1所述的一种微型自适应配置式无线传感器网络设备，其特征在于第一控制模块(13)通过第一连接线(15)、第二连接线(16)和第三连接线(17)与第一PC接口模块(11)相连；第一控制模块(13)通过第四连接线(18)与第一RF模块(12)相连。
4.根据权利要求1所述的一种微型自适应配置式无线传感器网络设备，其特征在于第二控制模块(23)通过第五连接线(26)与第二PC接口模块(21)相连；第二控制模块(23)通过第六连接线(27)与第二RF模块(22)相连；第二控制模块(23)通过第七连接线(28)与传感器模块(24)相连。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080723 |