CN101426290A

CN101426290A - 一种通用无线传感器网络节点设备

Info

Publication number: CN101426290A
Application number: CNA2007100562386A
Authority: CN
Inventors: 陈娣; 李宝华; 安宝玉; 宋颖
Original assignee: JINLIN MANBO SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JINLIN MANBO SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明涉及无线传感器网络技术与数据采集领域，公开了一种无线传感器网络通用节点设备，包括：无线射频收发单元，用于实现与无线传感器网络中其它节点以及基站之间的通信；微处理器单元，用于控制无线传感器网络中通用节点之间的通信，实现各种计算；通用传感器接口单元，用于为各种专用的传感器节点提供合适的接口；通用外部接口单元，用于通用节点与外部PC机的连接，实现上位机与通用节点的通信；电源管理单元，用于对通用节点中各单元的供电，检测电源的健康状况。利用本发明，实现了满足无线传感器网络节点最小功能集的通用节点，包括计算功能和网络功能；实现了多种类型传感器节点的快速开发；实现了支持多种协议的无线传感器网络的快速搭建；满足了无线传感器网络节点通用性要求。

Description

一种通用无线传感器网络节点设备

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术与数据采集领域，尤其涉及一种无线传感器网络的节点设备。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)被认为是21世纪最重要的技术之一，是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该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，可以实时监测、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，传送给所需用户。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途，其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，近年来在国际上引起了广泛的重视和投入。

如图1所示，图1为目前典型的传感器网络通信体系结构图。无线传感器网络通常由传感器节点群、基站(sink节点)和管理节点组成。大量传感器节点随机部署在感兴趣区域内部或者附近，以自组织方式构成网络。采集数据之后以多跳中继方式将数据传回sink节点，由sink节点将收集到的数据通过互联网、卫星或移动通信网络传送到管理节点进行处理。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。除了进行本地信息收集和数据处理外，无线传感器节点还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点写作完成一些特定的任务。也就是说，每一个无线传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器的双重功能。

如图2所示，图2为目前典型的传感器节点体系结构示意图。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

目前国内自行研制的无线传感器节点大都是购买Mote产品进行前期探索，且研究重点放在网络协议以及实际应用上。专用的无线传感器网络节点无论对于科研还是生产，都有很大的局限性，具体表现在：

●专用的节点可适应性差：很难实现不同传感器节点协同组网；

●专用节点的灵活性差：通常只能支持固定的网络协议和固定类型的传感器；

●在无线传感器网络协议研究、实践中，只需要考虑节点间的通讯而几乎不需要考虑传递的数据，专用的传感器难以胜任。

无线传感器网络节点的工作方式如下：无线传感器网络节点之间以及与网关之间，通过无线通信模块，以及现有的路由协议，组织成一个多跳的自组织网络，实现传感器节点与网关节点数据传输的连接；之后传感器节点通过传感器模块对其监测区域进行数据采集和转换；然后再通过无线通信模块将数据发送到网关节点，再通过互联网、卫星或移动通信网络传送到管理节点进行处理。

为了满足无线传感器网络应用的需要，结合无线传感器网络自身特点，设计实现通用的无线传感器网络节点，将有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对上述现有技术的问题和不足之处，提供了一种通用无线传感器网络节点设备。

本发明是这样实现的：

一种通用无线传感器网络节点设备，该节点设备包括：无线射频收发单元、微处理器单元、电源管理单元、通用传感器接口单元，和通用外部接口单元。这些单元构成了满足无线传感器网络节点最小功能要求的通用节点。

所述无线射频收发单元，用于实现与无线传感器网络中其它节点以及基站之间的通信；

所述微处理器单元，用于控制无线传感器网络中通用节点之间的通信，实现各种计算；

所述电源管理单元，用于对通用节点中各单元的供电，检测电源的健康状况；

所述通用传感器接口单元，用于为各种专用的传感器节点提供合适的接口；

所述通用外部接口单元，用于通用节点与外部PC机的连接，实现上位机与通用节点的通信。

优选地，所述无线射频收发单元为CC2420芯片，该芯片采用半正弦脉冲调制O-QPSK载波技术，载波频段为2400-2483.5MHz，最大传输速率为250Kbps，通过SI、SO、SCLK与微处理器的SPISIMO、SPISOMI、UCLK引脚连接，FIFO、FIFOP、CCA与微处理器的带中断功能的I/O口相连，CSN、RST、VREG与微处理器的简单I/O引脚相连，SFD与微处理器的带定时和捕获功能的I/O口相连。

优选地，所述微处理器单元为MSP430F149芯片，该芯片包括60KB的闪存Flash，2KB的RAM；还包括11个16位的定时器，另有比较和捕获的功能，提供2个UART接口和2个SPI/I2C接口；芯片内部提供一个8通道的12位采样精度的ADC控制器。

优选地，所述微处理器单元通过特定的BSL接口和UART接口实现与PC的USB口通信，并通过同步串行接口SPI与无线射频收发单元进行通信。

所述通用外部接口单元进一步包括：USB通信单元，用于连接微处理器单元与上位PC机，通过上位PC机下载程序、上传数据。

所述USB通信单元是通过微处理器的BSL接口和UART接口经过电平转换与PC的USB接口连接的。

所述通用外部接口单元进一步包括：电平转换单元，用于将PC机的USB信号转换成RS232信号，进一步地，将控制信号经过反相器和D触发器后，与RXD和TXD一起经过双向缓存器连接到微处理器的BSL接口和UART接口。

优选地，所述的电平转换单元为FT232BM芯片，兼容了USB1.1和USB2.0协议，最高数据传输速率可达1Mbps(RS232)和3Mbps(RS422，RS485)，反相器和D触发器分别为SN74VC2G04和TC7W74，双向三态缓存器为SN74HC126。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的通用无线传感器网络节点设备，节点自身具备了一个无线传感器网络节点的基本功能，包括网络功能和计算功能，并且为其他类型的节点的快速开发提供了基础。对于无线传感器网络技术的研究与产品开发有重要的作用，主要优点如下：

1)、提供了最大的可适应性。保证通过最小的努力即可以与不同的传感器组合，满足大多数传感器网络应用的需要；

2)、提供了最大的灵活性。同时支持多种不同类型的传感器和不同的网络协议。

3)、优化设计实现了最小无线传感器网络节点功能集。

4)、通用节点设备本身的可靠性、安全性和稳定性保证了基于本发明的专用节点的可靠性、安全性和稳定性。

附图说明

图1为无线传感器网络通信体系结构图；

图2为无线传感器网络节点体系结构示意图；

图3为本发明提供的通用无线传感器网络节点的体系结构框图；

图4为依照本发明实施例提供的通用无线传感器网络节点的结构示意图；

图5为本发明提供的与PC机通信单元的电路图；

图6为本发明提供的MCU单元的电路图；

图7为本发明提供的无线射频收发单元的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图3所示，图3为本发明提供的通用无线传感器网络节点的结构框图，该节点至少包括通用传感器接口单元10、微处理器单元11、无线射频收发单元12和通用外部接口单元13。

其中，通用传感器接口单元10提供外接各种传感器的接口线；微处理器单元11用于控制无线传感器网络中各节点之间的通信以及与上位PC机的通信；无线射频收发单元12用于实现无线传感器网络中各节点之间的通信；通用外部接口单元13用于实现上位机与通用节点的通信。

所述微处理器单元11通过特定的BSL接口和UART接口实现与PC机的USB口通信，并通过同步串行接口SPI与无线射频收发单元12进行通信。

基于图3所述的通用无线传感器网络节点的结构框图，以下结合具体的实施例对本发明通用无线传感器网络节点的结构进一步说明。

实施例

本发明提供的通用无线传感器网络节点设备与无线传感器网络连接原理参见图2。

如图4所示，图4为依照本发明实施例提供的无线传感器网络通用节点的结构示意图，该节点至少包括传感器接口单元10、微处理器单元11、无线射频收发单元12、USB接口单元14、电平转换和缓存单元15、存储单元16、电源管理单元17；微处理器单元11通过同步串行接口SPI与无线射频收发单元12进行数据的接收与发送；微处理器单元11通过BSL、UART与PC机进行通信；传感器接口单元10主要是为外接传感器提供接口。各单元采用的元器件如下：

如图5所示，图5为本发明提供的与PC机通信的电路原理图，使用FTDI公司的FT232BM芯片作为USB转换芯片，该USB转换单元内嵌USB1.1和USB2.0协议，最高数据传输速率可达1Mbps(RS232)和3Mbps(RS422，RS485)，其中的控制线经过反相器SN74VC2G04和D触发器TC7W74后，与数据信号一起经过双向缓存器SN74HC126连接到微处理器上。

如图6所示，图6为本发明提供的MCU单元的电路原理图，微处理器单元11使用TI公司的MSP430F149，该处理器有比较丰富的内部资源和外部接口。片内有60KB的闪存Flash，2KB的RAM；还包括11个16位的定时器，另有比较和捕获的功能，提供2个UART接口和2个SPI/I2C接口；芯片内部提供一个8通道的12位采样精度的ADC控制器；在电源管理方面，MSP430F149提供了一种活动模式(AM)和5种低功耗的模式(LPM0-LPM4)，特别适合功耗要求低的应用。

如图7所示，图7为本发明提供的无线射频收发单元的电路原理图，无线射频收发单元12采用Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420采用半正弦脉冲调制O-QPSK载波技术，载波频段为2400-2483.5MHz，最大传输速率为250Kbps，通过SI、SO、SCLK与微处理器的SPISIMO、SPISOMI、UCLK引脚连接，FIFO、FIFOP、CCA与微处理器的带中断功能的IO口相连，CSN、RST、VREG与微处理器的简单IO引脚相连，SFD与微处理器的带定时和捕获功能的定时引脚相连。

存储单元16用于存储系统在运行时的特征参数，通过I2C与微处理器相连接。

电源管理单元17，用于对通用节点中各单元供电，检测电源的健康状况。

通用外部接口单元13用于连接PC机与微处理器单元11，包括电平转换、缓存单元15，来完成对微处理器内部的非易失性存储器进行编程和上传数据。该接口通过USB的两根信号线经转换后与微处理器的P1.1、P2.2、TCK、RST、UTXD1、URXD1引脚连接。

Claims

1.一种通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，该设备包含：无线射频收发单元，用于实现与无线传感器网络中其它节点以及基站之间的通信；微处理器单元，用于控制无线传感器中通用节点之间的通信，实现各种计算；通用传感器接口单元，用于为各种专用的传感器节点提供合适的接口；通用外部接口单元，用于通用节点与外部PC机的连接，实现上位机与通用节点的通讯；电源管理电源，用于对通用节点中各单元的供电，检查电源健康状况。

2.根据权利要求1所述的通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，所述系统中微处理器单元通过特定的BSL接口和UART接口实现与PC机的USB口通信。

3.根据权利要求1所述的通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，所述系统中微处理器单元通过同步串行接口SPI与无线射频收发单元进行通信。

4.根据权利要求1所述的通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，所述系统中，采用双列双排插针，引出48根I/O线路。

5.根据权利要求1所述的通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，所述系统中，USB与BSL之间的接口标准的信号转换采用反向器和D触发器实现控制信号的转换。

6.根据权利要求1所述的通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，所述的通用节点采用USB、串口等方式与多种外部设备相连。

7.根据权利要求1所述的通用无线传感器网络节点设备，其特征在于，所述的通用节点采用USB、串口等方式与多种传感器节点相连。