CN101350149A - 一种无线传感器网络实验装置 - Google Patents

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李坚坚
王金慧
李晓阳
吴勇平
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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络实验装置，它包括无线传感器从节点、无线传感器主节点和个人计算机子系统，其中无线传感器从节点包括无线通信模块、数据处理模块、传感器模块和电源供给模块；无线传感器主节点包括无线通信模块、单片机开发子系统、执行/传感模块和电源供给模块；个人计算机子系统可完成无线传感器网络模拟、无线传感器网络数据收集和无线传感器网络拓扑显示。主节点与从节点之间通过无线通信构成一个无线传感器网络。本发明提供了一个无线传感器网络的实验环境，便于学生学习和研究无线传感器网络。

Description

一种无线传感器网络实验装置
技术领域
本发明涉及一种教学实验装置，尤其涉及一种用于无线传感器网络实验教学的装置。
背景技术
无线传感器网络是继现场总线、工业以太网之后又一兴起的传感器网络，其基于IEEE 802.15.4，Zigbee技术标准，采用中短距离、低速率无线传感器网络，从而引起了科研界、产业界和教育界的高度关注，被誉为21世纪改变人类生活的几大关键技术之一。但是，至今有关无线传感器网络的教学系统很少，而且目前开设这方面课程的大学，使用的教学平台所采用的高频芯片和技术严重老化，教学内容单一，无法满足无线传感网络的实验教学。
发明内容
本发明的目的是针对无线传感器网络教学实验设备匮乏而提出的一种无线传感器网络实验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线传感器网络实验装置，包括无线传感器从节点、无线传感器主节点和个人计算机子系统，其中无线传感器从节点包括无线通信模块、数据处理模块、传感器模块和电源供给模块；无线传感器主节点包括无线通信模块、单片机开发子系统、执行/传感模块和电源供给模块；个人计算机子系统可完成无线传感器网络模拟、无线传感器网络数据收集和无线传感器网络拓扑显示。
主节点与从节点之间通过无线通信构成一个无线传感器网络。主节点与从节点通信采用一种网络拓扑动态获取的方法，即任何一个从节点加入网络都将自己的上一节点和自己本身的身份告知主节点，个人计算机子系统通过串行通信的方式收集主节点的网络数据包，并进行分析，获取无线传感器网络的拓扑结构和传感器数据。
本发明的有益效果是：
1、内容丰富：将传统的单片机开发系统与无线传感器网络相结合，既体现知识的衔接性，也溶于新的技术内容；采用模块化设计，便于学生发挥自主创造性，可以组成不同的实验内容。
2、配置灵活：无线传感器从节点具有数据产生、数据处理、数据路由等功能，可组成多种结构的无线传感网络。
附图说明
图1是整体构成图；
图2是无线传感器从节点原理框图；
图3是无线通信模块的原理图；
图4是光强传感器电路图；
图5是气压传感器电路图；
图6是温湿度传感器电路图；
图7是无线传感主节点结构框图；
图8是网络拓扑的获取方法示意图。
具体实施方式
本发明的无线传感器网络实验教学系统，如图1所示，包括若干无线传感器从节点、无线传感器主节点和个人计算机子系统，其中无线传感器从节点包括无线通信模块、数据处理模块、传感器模块和电源供给模块；无线传感器主节点包括无线通信模块、单片机开发子系统、执行/传感模块和电源供给模块；个人计算机子系统可完成无线传感器网络模拟、无线传感器网络数据收集和无线传感器网络拓扑显示。主节点与从节点之间通过无线通信构成一个无线传感器网络。
无线传感器从节点包括无线通信模块、数据处理模块、传感器模块和电源供给模块等，其连接关系如图2所示。数据处理模块和传感器模块通过IO总线相连，无线通信模块和数据处理模块通过SPI总线相连。无线通信模块采用基于ZigBee协议的单芯片处理器CC2430/CC2431实现。CC2430/CC2431芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。数据处理模块采用高速SoC单片机C8051F020实现，并通过SPI接口与无线通信模块进行通讯。传感器模块采用微型化的数字集成传感器实现，包括温湿度传感器，气压传感器，光强传感器。这些传感器通过IIC总线或二线制串行通讯口与数据处理模块进行通讯，完成对温度、湿度、气压和光强等环境参数的实时测量。
无线通信模块中，如图3所示，电路使用了一个非平衡天线和一个非平衡变压器，非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成，分别接CC2430/CC2431(U1)的RF_P端、RF_N端、TXRX_SWITCH端和非平衡天线。整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。处理器内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。偏置电阻R221一端接U1的RBIAS1端，另一端接地，主要用来为石英谐振器XTAL1提供一个合适的工作电流。偏置电阻R261一端接U1的RBIAS2端，另一端接地，主要用来为处理器U1的内部射频(RF)部分提供一个合适的工作电流。石英谐振器XTAL1和电容C191、C211构成一晶振电路给处理器U1提供时钟信号。石英谐振器XTAL2和电容C441、C431构成一晶振电路给处理器U1提供时钟信号。U1的RREG_OUT端为U1所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电。电容C231、C241、C351、C421是去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。
如图3所示，电阻R406、微动按钮S1、电容C6构成一复位电路接U1的RESETn端。U1与U2(C8051F020)间的连接方式为：U1的P1_3端与U2的P0.0端连接，U1的P1_4端与U2的P0.1端连接，U1的P1_5端与U2的P0.2端连接，U1的P1_6端与U2的P0.3端连接，通过对U1、U2的内部寄存器的进行配置实现SPI通讯。石英谐振器XTAL3和电容C1、C2构成一晶振电路给处理器U2提供时钟信号。
光强传感器可采用TSL2561，通过IIC接口与处理器C8051F020通讯，如图4所示。TSL2561(U3)的数据端SDA与C8051F020(U2)的P0.4端相连；U3的时钟端SCL与U2的ALE/P0.5端相连。U3的INT端与U2的RD/P0.6端相连，当外界光强达到所设定的值时，产生一个中断信号。电阻R1、R2、R3为上拉电阻，一端与电源3.3V连，另一端接相应信号脚。ADDR SEL端与地连接。
气压传感器可采用HP01D，通过IIC接口与数据处理模块通讯，如图5所示。有源晶振XTAL4的X2端提供时钟信号给HP01D(U4)的MCLK端。U4的数据端SDA与C8051F020(U2)的P0.4端相连；U4的时钟端SCL与U2的ALE/P0.5端相连。温湿度传感器可采用FOST02，其通过二线制串行通讯口与数据处理模块通讯，如图6所示。FOST02(U5)的数据端DATA与C8051F020(U2)的AIN1.1/A9/P1.1端相连；U5的时钟端CLK与U2的AIN1.0/A9/P1.0端相连。
无线传感主节点，如图7所示，包括单片机开发子系统、执行/传感模块、无线通信模块等。单片机开发子系统由C8051单片机、LCD显示单元、RS232接口、以太网接口、USB接口、SD卡、存储器等组成，与无线通信模块间采用SPI协议通信；执行/传感模块包括电机模块、语音模块、以及温度采集模块等。主节点的单片机开发子系统既可以完成一般的单片机编程和接口实验，也可以完成ZigBee无线通信相关的实验。
主节点与从节点通信遵循ZigBee协议，采用一种网络拓扑动态获取的方法，如图8，任何一个从节点(RFD)加入网络都将自己的上一节点(Router)和自己本身的身份告知主节点(Coordinator)，个人计算机子系统通过串行通信的方式收集主节点的网络数据包，并进行分析，获取无线传感器网络的拓扑结构和传感器数据。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络实验装置，其特征在于，包括无线传感器从节点、无线传感器主节点和个人计算机子系统。其中，所述无线传感器从节点包括无线通信模块、数据处理模块、传感器模块和电源供给模块。无线传感器主节点包括无线通信模块、单片机开发子系统、执行/传感模块和电源供给模块；个人计算机子系统和无线传感器主节点通过串口线相连。无线传感器主节点与无线传感器从节点之间通过无线通信构成一个无线传感器网络。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络实验装置，其特征在于，所述无线传感器主节点与无线传感器从节点通过ZigBee协议通信。
3.如权利要求1所述的无线传感器网络实验装置，其特征在于，所述无线传感器主节点的单片机开发子系统与无线通信模块通过SPI协议通信。
4.如权利要求1所述的无线传感器网络实验装置，其特征在于，所述无线传感器从节点的数据处理模块和传感器模块通过IO总线相连，无线通信模块和数据处理模块通过SPI总线相连。所述传感器模块包括温湿度传感器、气压传感器和光强传感器。
5.如权利要求1所述的无线传感器网络实验装置，其特征在于，所述无线传感器主节点的执行/传感模块包括直流电机驱动电路、步进电机驱动电路、语音采集和输出电路和温度采集电路。
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