CN101483908B - 无线传感器网络节点 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络节点，是一种可实现低功耗的节点。其特征是由精准时钟模块实现所有节点的网络时间同步和校准及长时间休眠与定时唤醒工作模式转换控制。在无线传感器网络构建完成后，首先使整个网络中各个节点时钟同步，在此基础上，精准时钟模块根据定时时间唤醒长时间休眠中的节点，响应上位机指令完成数据采集和传送等工作，之后再次转入长时间休眠，等待下一次唤醒。本发明用于无线传感器网络系统，具有远程控制功能、网络节点时间同步、减少节点频繁的周期唤醒与休眠、节约大量电池能量、极大降低系统功耗等优点，从而大大提高能量有效性，有效地拓展了整个网络的生命周期。

Description

无线传感器网络节点
所属技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络中的节点，能够实现无线传感器网络中数据的同步采集及网络中节点的长时间睡眠和定时唤醒工作模式转换，极大降低节点功耗，适用于低功耗的无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)作为一个新兴的技术，由部署在检测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理检测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理模式，结合不同类型的传感器，在环境监测、军事侦察、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。
其中无线传感器网络是由大量低成本的传感器节点构成的自组织网络。因为工作环境及成本原因，传感器节点通常使用电池供电，能量十分有限，因此提高能量有效性、延长网络寿命成为传感器网络设计的关键技术。对于实际的检测环境中数据的采集一般不是很频繁，而目前的传感器节点一般是通过微处理器内部的睡眠定时器来实现短时间周期性的频繁唤醒，来巡检是否有数据的采集要求，时钟的校准是通过相关通信协议软件算法来实现，在实际应用中存在比较大的缺陷。
发明内容
为了克服现有的传感器网络中频繁的时间唤醒机制、时间同步及校准的复杂性，本发明提供了一种带有精准时钟模块的无线传感器网络节点。节点的精准时钟模块控制节点的MCU，可实现网络时间同步和校准及长时间睡眠与定时唤醒转换，极大降低节点功耗，从而有效地拓展了整个网络的生命周期。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
无线传感器网络节点外接带闹钟功能的精准实时时钟芯片，使节点在空闲时处于关闭状态，每当采集数据时间到，由时钟芯片输出中断信号开启节点的MCU系统以响应上位机指令，校准本地时钟并进行数据采集，在数据采集结束后，程序控制MCU系统断电，使无线传感器网络节点再次处于关闭状态，转入长时间休眠，一直到下一次中断唤醒信号。
本专利的有益效果是，利用精准时钟模块控制无线传感器网络节点实现长时间的休眠和定时唤醒、时间同步和校准，即保证了按时采集传感器节点数据，又减少了节点频繁的周期唤醒与休眠，节约了大量电池能量，在很大程度上使节点的功耗更低，从而延长了整个网络的生命周期。
附图说明
图1是本发明节点的硬件结构框图；
图2是本发明节点精准时钟芯片的写操作工作时序图；
图3是本发明节点精准时钟芯片控制节点MCU工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种无线传感器网络节点的硬件框图主要包括MCU、系统时钟、RF模块、电源模块、传感器接口和精准时钟模块组成。其中，①MCU为整个传感器节点的控制中心；②系统时钟为节点的工作提供稳定的外部时钟；③RF模块在MCU的控制下实现无线信号的收发；④电源模块为节点及外围模块提供稳定的电源，一般用电池来实现；⑤传感器接口用于节点与传感器的连接；⑥精准时钟模块是由带闹钟的精准时钟芯片及外围器件组成，使节点能够进行较长时间休眠和定时唤醒工作模式转换，来实现整个网络的时间同步及完成同步数据采集功能。
MCU为整个无线传感器网络节点的控制中心，与系统时钟、RF模块、电源模块、传感器接口和精准时钟模块均有连接，用于控制传感器采集数据及控制无线通信RF模块与其他节点进行无线通信；系统时钟与MCU连接，为节点的工作提供稳定的外部时钟；RF模块与MCU连接，在MCU的控制下实现无线信号的收发通信；电源模块为MCU、RF模块、精准时钟模块各部分提供稳定的电源，一般用电池来实现；传感器接口一端与MCU相连，另一端接各种传感器，用于完成各种参数测量；精准时钟模块是由带闹钟的精准时钟芯片及外围器件组成，与MCU相连，使节点能够进行较长时间休眠和定时唤醒工作模式转换，来实现整个网络的时间同步及完成同步数据采集功能。
无线传感器网络节点，由节点的精准时钟模块实现长时间休眠与定时唤醒工作模式转换。
在无线传感器网络节点工作前预先设定精准时钟模块中时钟芯片定时的时间数据，当定时时间到时，时钟芯片与MCU相连的中断引脚输出脉冲，脉冲的下降沿(或者上升沿)到来时唤醒MCU，MCU控制整个节点开始工作，等待响应上位机控制指令，进行参数采集、传输数据等工作，工作完成后，程序控制MCU再次转入长时间休眠，等待下一次唤醒。
在无线传感器网络中各节点均外接时钟芯片，在网络构建完成后，网络协调器会立刻接收监控中心计算机发来的时间同步信号，然后将该信息广播给网络中的所有传感器节点(包括网络路由器和终端节点)，所有传感器节点会通过这一信息完成初始化本地时钟。
完成网络内所有节点时钟同步初始化之后，设定时钟芯片唤醒节点的时间，定时时间到则时钟芯片输出中断信号，将传感器节点(包括路由器和终端节点)唤醒，响应上位机指令，完成数据的采集和发送，之后使节点再次转入长时间休眠，等待下一次时钟芯片的中断唤醒信号。
由图2对时钟芯片写操作工作时序图可见，在设定时钟芯片时先写入地址，然后写入需要定时的时间数据，在图3的时钟芯片控制节点MCU工作时序图中，当定时时间到时，时钟芯片与MCU相连的中断口输出脉冲，下降沿(或者上升沿)到来时唤醒MCU，然后节点开始等待响应上位机控制指令，进行采集、传输数据等工作，工作完成后，程序控制MCU再次转入长时间休眠，等待下一次唤醒。
在每天固定的时刻(比如晚上0点)唤醒网络中所有节点，协调器会发送时钟校准信号，各节点收到校准信号，重新初始化本地时钟，从而完成整个网络的时间重新校准。
上述实施例用来解释本发明，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 (1)

1.一种无线传感器网络节点，包括MCU、系统时钟、RF模块、电源模块、传感器接口和精准时钟模块，其特征是：所述MCU与所述系统时钟、所述RF模块、所述电源模块、所述传感器接口和所述精准时钟模块电连接，用于控制传感器采集数据及控制无线通信RF模块与其他节点进行无线通信；所述系统时钟与所述MCU电连接，为节点的工作提供稳定的外部时钟；所述RF模块与所述MCU电连接，在MCU的控制下实现无线信号的收发通信；所述电源模块与所述MCU、所述RF模块、所述精准时钟模块各部分电连接，提供稳定的电源；所述传感器接口一端与所述MCU电连接，另一端接各种传感器，用于完成各种参数测量；所述精准时钟模块是由带闹钟的精准时钟芯片及外围器件组成，与所述MCU电连接；所述的精准时钟模块控制节点实现长时间休眠与定时唤醒工作模式转换，由MCU设置所述的精准时钟模块休眠和工作时间的分配，由所述的精准时钟模块中的时钟芯片与MCU相连的中断引脚输出脉冲的下降沿或上升沿来唤醒所述的MCU，由所述的MCU控制整个节点进入工作状态，等待响应上位机控制指令，进行参数采集、传输数据工作，所述的MCU控制节点完成阶段性工作之后进入长时间休眠状态，等待下一次唤醒。
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