CN101541102B - 一种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，所述节点包括用于采集数据的传感器模块、无线通信模块和无操作系统的处理器；无操作系统的处理器通过指令控制，对采集数据和/或外部数据进行应用处理，对应用处理结果进行编译，并通过操作控制，将编译结果发送至无线通信模块；无线通信模块将从连接所述无线传感器网络节点的外部基站或其它无线传感器网络节点接收的外部数据转发至无操作系统的处理器，将从无操作系统的处理器接收的编译结果转发至连接所述无线传感器网络节点的基站或其它无线传感器网络节点。本发明处理器中不装设操作系统，且能大大提高工作效率，降低工作成本，可广泛应用于数据采集系统中。

Description

一种无线传感器网络节点
技术领域
本发明涉及传感器技术，特别是涉及一种无线传感器网络节点。
背景技术
无线传感器网络具有感知能力强、布置方便、扩展能力强等特性，在各个领域都受到广泛关注。无线传感器网络广泛应用于环境监测和预报、军事、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。
图1为无线传感器网络的结构组成示意图。如图1所示，无线传感器网络一般包括至少一个无线传感器网络节点、至少一个基站；每个基站对应至少一个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点直接与基站进行通信，或者通过另外的无线传感网络节点与基站进行间接通信；无线传感器网络节点之间可以实现直接通信，也可以实现间接通信；基站之间直接进行相互通信，每个基站还可连接电脑、以太网或局域网；其中，每一个无线传感器网络节点均包括通讯模块和传感模块；每一个基站均包括通讯模块和网关；无线传感器网络节点和基站均包括处理器、无线通讯芯片和存储器。存储器采用Flash ROM，用以保存程序。传感模块包括至少一个传感器。各个传感器采集到数据后经过处理器处理然后通过无线传感器节点的无线通讯芯片与连接该无线传感器节点的基站或其它节点相连，组成网络。
无线传感器网络节点和基站的处理器均基于Tiny OS等操作系统运行，运行程序基本采用Nes C语言、汇编语言等低层语言编写，通过对硬件的直接操作来控制无线传感器网络节点的运行。实际应用中，由于采用Nes C语言编制的程序不易实现对处理器内存和硬件的管理与控制，当无线传感器网络节点处理大量信息时，需要组织大量的人员进行基础编程和基础测试，所以，存在编程复杂、调试困难且成本较高的缺点；而且，人员之间的相互配合也导致了工作效率低的问题。
由此可见，现有技术中，无线传感器网络节点在应用处理过程中，存在编程复杂、调试困难、工作效率低以及成本高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无线传感器网络节点，通过虚拟机替代操作系统，能避免复杂编程和调试，提高工作效率，降低成本。
为了达到上述目的，本发明所述无线传感器网络接点的技术方案为：
一种无线传感器网络节点，包括传感器模块、无线通信模块和无操作系统的处理器；其中，
传感器模块，用于采集数据，并将采集数据发送至无操作系统的处理器；
无操作系统的处理器，用于在用户输入的操作指令以及应用处理过程中产生的操作指令的控制下，接收传感器模块发送的采集数据和/或无线通信模块发送的外部数据，向无线通信模块发送编译结果；对接收的采集数据和/或外部数据进行数据融合，根据融合结果进行信息决策的处理后，对应用处理结果进行编译，所述编译是基于虚拟机运行的；
无线通信模块，用于将从连接所述无线传感器网络节点的外部基站或其它无线传感器网络节点接收的外部数据转发至无操作系统的处理器，将从无操作系统的处理器接收的编译结果转发至连接所述无线传感器网络节点的外部基站或其它无线传感器网络节点。
综上所述，本发明提出的一种无线传感器网络节点采用了无操作系统的处理器，该无操作系统的处理器通过高层和所述处理器自身的指令控制低层的发送、接收操作，避免在操作系统基础上采用低层语言(如Nes C、汇编等语言)编写、调试控制低层发送、接收的复杂程序，解决了编程复杂、调试困难的问题；同时，也降低了成本；特别是，当所述无线传感器网络节点进行大信息量的应用处理时，解决了大量人员间的配合导致的工作效率低的问题。
附图说明
图1为无线传感器网络的结构组成示意图。
图2为本发明所述无线传感器网络节点的组成结构示意图。
图3为本发明中虚拟机的组成结构示意图。
图4为本发明中包含数据存储单元的处理器的组成结构示意图。
图5为本发明包括连接器的无线传感器网络节点组成结构示意图。
图6为本实施例中所述无线传感器网络节点的组成结构示意图。
图7为本实施例中元器件在各方向上的摇晃程度示意图。
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，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
图2为本发明所述无线传感器网络节点的组成结构示意图。如图2所示，本发明所述无线传感器网络节点包括传感器模块1、无操作系统的处理器2和无线通信模块3。
传感器模块1，用于采集数据，并将采集数据发送至无操作系统的处理器2。
实际应用中，传感器模块1包括温度传感器、加速度传感器和光强传感器等。温度传感器用于采集外部温度，并将采集到的温度发送至无操作系统的处理器2；加速度传感器用于采集外部物体的运动加速度，并将采集到的加速度发送至无操作系统的处理器2；光强传感器用于采集外部光线强度，并将采集到的光线强度发送至无操作系统的处理器2。
实际应用中，传感器模块1采集到的数据可能是数字量，也可能是模拟量。
无操作系统的处理器2，用于在用户输入的操作指令以及应用处理过程中产生的操作指令的控制下，接收传感器模块1发送的采集数据和/或无线通信模块3发送的外部数据，向无线通信模块发送编译结果；对接收的采集数据和/或外部数据进行不对硬件直接操作的应用处理，并对应用处理结果进行编译，所述编译不是基于操作系统运行的。
实际应用中，应用处理包括对无操作系统的处理器2接收的采集数据和/或外部数据进行数据融合，根据融合结果进行信息决策等应用层面的处理。这里，数据融合、信息决策均采用现有技术，此处不再赘述。
无线通信模块3，用于将从连接所述无线传感器网络节点的外部基站或其它无线传感器网络节点接收的外部数据转发至无操作系统的处理器2，将从无操作系统的处理器2接收的编译结果转发至连接所述无线传感器网络节点的基站或其它无线传感器网络节点。
其中，无操作系统的处理器2包括硬件单元21、虚拟机22和应用单元23；
硬件单元21，用于根据虚拟机22的操作控制，将从传感器模块1接收的采集数据和/或从无线通信模块3接收的外部数据发送至应用单元23，将从虚拟机22接收的编译结果发送至无线通信模块3；
虚拟机22，用于对来自应用单元23的应用处理结果进行编译，所述编译不是基于操作系统运行的，将编译结果发送至硬件单元21；根据应用单元23发送的操作指令，对硬件单元21进行操作控制；
应用单元23，用于向虚拟机发送用户输入的或/和应用处理过程中产生的操作指令，对硬件单元21发送的采集数据和/或外部数据进行不对硬件直接操作的应用处理，并将应用处理结果发送至虚拟机22。
实际应用中，如果无操作系统的处理器2的程序存储器的容量不够大，那么，还可以将虚拟机22存储在连接无操作系统的处理器2的外部闪烁存储器(Flash ROM)中。无操作系统的处理器启动后，自动从外部闪烁存储器中读取虚拟机22，并运行。
实际应用中，虚拟机可以采用高级编程语言中的内置函数，替代了基于装设在处理器中的操作系统的由硬件编程语言编制的程序，用以间接控制底层硬件的接收、发送等操作；用户通过应用单元向虚拟机发送操作指令。
本发明中，处理器中不配置任何操作系统，处理器不是基于操作系统运行，而是基于虚拟机的操作控制和编译处理运行。虚拟机接收到应用单元发送的操作指令后，对硬件单元进行操作控制，硬件单元接收来自传感器模块的采集数据和/或由无线通信模块转发的外部数据，将接收的采集数据和外部数据发送至应用单元；应用单元对采集数据和外部数据进行数据融合、信息决策等一系列不直接对硬件操作的处理之后，由虚拟机对处理结果进行编译，该编译并非运行在操作系统之上；编译完成后，硬件单元在虚拟机的操作控制下，将从虚拟机接收的编译结果发送至无线通信模块；无线通信模块通过无线方式将编译结果转发至外部基站或无线传感器网络节点。
图3为本发明中虚拟机的组成结构示意图。如图3所示，虚拟机22包括操作控制器221和JAVA编译器222；其中，
操作控制器221，用于根据来自应用单元23的操作指令，对硬件单元21进行接收和发送的操作控制；
JAVA编译器222，用于对应用单元23发送的应用处理结果进行JAVA编译，所述JAVA编译不是基于操作系统运行的，编译完成后，将编译结果发送至硬件单元21。
本发明中，虚拟机替代操作系统，在收到应用单元发送的操作指令后，操作控制器控制硬件单元接收来自传感器模块的采集数据和/或来自无线通信模块的外部数据，并将接收的采集数据和/或外部数据发送至应用单元；当JAVA编译器对应用结果编译完成后，操作控制器控制硬件单元接收来自JAVA编译器的编译结果，并将编译结果发送至无线通信模块。
图4为本发明中包含数据存储单元的处理器的组成结构示意图。如图4所示，无操作系统的处理器2包括硬件单元21、虚拟机22、应用单元23和数据存储单元24；其中，硬件单元21、虚拟机22、应用单元23与图2中 的相应组成基本相同，不同之处仅在于，在虚拟机22的操作控制下，硬件单元21还将来自传感器模块1的采集数据和/或来自无线通信模块3的外部数据发送至数据存储单元24；应用单元23还将应用处理结果发送至数据存储单元24。
实际应用中，数据存储单元既可以是处理器所在的无线传感器网络节点中的数据存储单元，也可以是连接该无线传感器网络节点的基站或其它无线传感器网络节点上的远程数据存储单元。例如，如果要对来自传感器模块的采集数据进行远程存储，则，操作控制器根据应用单元发送的远程存储操作指令，控制硬件单元接收传感器模块发送的采集数据，并将采集数据通过无线通信模块发送至远程数据存储单元。
实际应用中，本发明所述无线传感器网络节点还可包括连接器。图5为本发明包括连接器的无线传感器网络节点组成结构示意图。如图5所示，所述无线传感器网络节点包括传感器模块1、无操作系统的处理器2、无线通信模块3和连接器4；其中，传感器模块1、无操作系统的处理器2、无线通信模块3与图2中的相应组成基本相同，不同之处仅在于：传感器模块1将采集数据发送至连接器4；当传感器模块1发送的采集数据为模拟量时，连接器4将采集数据由模拟量转换为数据量后，发送至无操作系统的处理器2；当传感器模块1发送的采集数据为数字量时，连接器4将采集数据转发至无操作系统的处理器2。
总之，本发明所述无线传感器网络节点中的处理器采用虚拟机，替代了作为处理器运行基础的操作系统，实现了应用单元通过虚拟机间接控制硬件单元的操作；而不必再采用硬件编程语言(如Nes C、汇编等语言)编制基于操作系统的程序，直接对控制硬件单元。这样，当所述无线传感器网络节点进行大信息量的应用处理时，无需大量人员进行复杂的硬件编程和调试，解决了编程复杂、调试困难的问题，同时也解决了大量人员间的配合导致的工作效率低问题以及高成本问题。
实施例
本实施例通过对元器件运动加速度的检测，来监控运输过程的元器件的摇晃程度，以防止外力损伤元器件。图6为本实施例中所述无线传感器网络节点的组成结构示意图。如图6所示，本实施例所述无线传感器网络节点包括加速度传感器、连接器、无线通信模块、处理器，处理器包括虚拟机、硬件单元、应用单元、数据存储单元和闪烁存储器。处理器中，由虚拟机替代Tiny OS操作系统，提供操作控制和编译环境。本实施例中，无线通信模块采用CC2420，处理器采用ARM920T，连接器采用Hirose公司生产的0.5mmPitch Board to Board Connector。
本实施例中，虚拟机采用JAVA编程语言中的内置函数，控制硬件单元完成信息的发送、接收。例如，针对通信模块CC2420，虚拟机采用JAVA语言编制通信模块CC2420的发送控制和接收控制等操作控制函数，并将这些操作控制函数封装为CC2420类。
本实施例中，由于处理器ARM920T的内存很小，因此，将虚拟机保存在处理器外部的闪烁存储器中。ARM920T启动后，从外部闪烁存储器中读取虚拟机，并运行。另外，用户可以通过闪烁存储器的USB接口，对虚拟机进行更新或升级。
实际应用中，本实施例采用电池模块对无线通信模块、连接器和处理器进行供电。
本实施例中，无线加速度传感器被固定在元器件上，采集元器件的加速度信息，该加速度信息包括元器件在横轴(x轴)方向上的加速度x、在纵轴(y轴)方向上的加速度y和在竖轴(z轴)方向上的加速度z。该三个方向上的加速度x、y、z均为模拟量。
加速度传感器将加速度信息发送至连接器，连接器将加速度信息中的三个加速度x、y、z由模拟量转化为数字量；硬件单元根据用户通过应用单元发送的操作指令，接收连接器发送的数字化后的三个加速度x′、y′、z′，并将加速度x′、y′、z′发送至应用单元。
应用单元对接收的三个加速度x′、y′、z′进行如下处理：t＝sqrt[(x′)2+(y′)2+(z′)2]，得到三个加速度的平方和的平方根t。图7为本实施例中元器件在各方向上的摇晃程度示意图。如图7所示，横坐标表示时间坐标，单位为秒；纵坐标表示加速度，单位为平方米/秒；“1”代表元器件在横轴方向上的加速度x′的变化轨迹，“2”代表元器件在纵轴方向上的加速度y′的变化轨迹，“3”代表元器件在竖轴方向上的加速度z′的变化轨迹，“4”代表上述三个加速度值平方和的平方根t的变化轨迹。
上述三个加速度x′、y′、z′以及该三个加速度的平方和的平方根t均通过硬件单元，被存储于处理器的数据存储单元中。同时，处理器的应用单元对该三个加速度x′、y′、z′和三个加速度的平方和的平方根t进行门限判断；x′、y′、z′和t中任何一个值超过最大门限值时，应用单元都会生成报警信息。超过最大门限值的x′、y′、z′和t中的一个或多个及其相应的报警信息经过虚拟机的JAVA编译器编译后，被发送至硬件单元；硬件单元在虚拟机的操作控制下，将编译结果发送至无线通信模块；无线通信模块以无线方式将编译结果转发至基站或与本实施例所述无线传感器网络节点连接的其它无线传感器网络节点，以提醒相关用户。
实际应用中，JAVA编译器将编译结果编译为.class文件，该.class文件基于基站或本发明所述无线传感器网络节点上的虚拟机运行。
本实施例中，应用单元采用JAVA语言编制的应用程序是基于虚拟机运行的，而不是基于操作系统运行的。该应用程序完成对加速度x、y、z的运算，对加速度x、y、z和运算结果t的门限判别，以及根据判别结果生成报警信息的应用处理。
本实施例中，仅以硬件系统对信息的发送和接收为例，说明了虚拟机是如何采用高级语言编制的程序间接控制硬件的接收和发送的。实际应用中，虚拟机对硬件操作的间接控制并不仅限于接收和发送，比如，寄存器的存储等等，均可由虚拟机采用高级语言编制的程序实现间接控制。
总之，本实施例所述无线传感器网络节点中的处理器采用虚拟机，通过应用层间接控制硬件单元的操作；不再花费人力物力对横轴方向上的加速度、纵轴方向上的加速区、竖轴方向上的加速度以及该三个加速度的的平方和的平方根中的一个或一个以上的组合情况，进行基于Nes C等低层语言的编程和调试，不再对硬件单元进行直接操作。因此，本实施例所述无线传感器网络节点不必进行复杂的编程和调试，节约了人力物力，提高了工作效率，降低了工作成本。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本实用信息的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用信息的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络节点，其特征在于，所述网络节点包括传感器模块、无线通信模块和无操作系统的处理器；其中，
传感器模块，用于采集数据，并将采集数据发送至无操作系统的处理器；
无操作系统的处理器，用于在用户输入的操作指令以及应用处理过程中产生的操作指令的控制下，接收传感器模块发送的采集数据和/或无线通信模块发送的外部数据，向无线通信模块发送编译结果；对接收的采集数据和/或外部数据进行数据融合，根据融合结果进行信息决策的处理，对应用处理结果进行编译，所述编译是基于虚拟机运行的；
无线通信模块，用于将从连接所述无线传感器网络节点的外部基站或其它无线传感器网络节点接收的外部数据转发至无操作系统的处理器，将从无操作系统的处理器接收的编译结果转发至连接所述无线传感器网络节点的外部基站或其它无线传感器网络节点。
2.根据权利要求1所述的网络节点，其特征在于，所述无操作系统的处理器包括硬件单元、虚拟机和应用单元；其中，
硬件单元，用于根据虚拟机的操作控制，将从所述传感器模块接收的采集数据和/或从所述无线通信模块接收的外部数据发送至应用单元，将从虚拟机接收的编译结果发送至所述无线通信模块；
虚拟机，用于对来自应用单元的应用处理结果进行编译，所述编译是基于虚拟机运行的，将编译结果发送至硬件单元；根据应用单元发送的操作指令，对硬件单元进行操作控制；
应用单元，用于向虚拟机发送用户输入的或/和应用处理过程中产生的操作指令，对硬件单元发送的采集数据和/或外部数据进行数据融合，根据融合结果进行信息决策的处理，并将应用处理结果发送至虚拟机。
3.根据权利要求1所述的网络节点，其特征在于，所述编译为JAVA编译。 
4.根据权利要求1或2所述的网络节点，其特征在于，所述应用处理包括数据融合、信息决策处理。
5.根据权利要求1所述的网络节点，其特征在于，所述传感器模块的采集数据为模拟量或数字量。
6.根据权利要求5所述的网络节点，其特征在于，所述网络节点还包括连接器；其中，
所述连接器，用于当所述传感器模块发送的采集数据为模拟量时，将采集数据由模拟量转换为数据量后，发送至所述无操作系统的处理器；当所述传感器模块发送的采集数据为数据量时，将采集数据转发至所述无操作系统的处理器。
7.根据权利要求2所述的网络节点，其特征在于，所述虚拟机包括操作控制器和JAVA编译器；其中，
操作控制器，用于根据来自所述应用单元的操作指令，对所述硬件单元进行接收和发送的操作控制；
JAVA编译器，用于对所述应用单元发送的应用处理结果进行JAVA编译，所述JAVA编译是基于虚拟机运行的，编译完成后，将编译结果发送至所述硬件单元。
8.根据权利要求7所述的网络节点，其特征在于，所述无操作系统的处理器还包括数据存储单元；所述硬件单元还用于将从传感器模块接收的采集数据和/或从无线通信模块接收的外部数据发送至数据存储单元；所述应用单元还用于将应用处理结果发送至数据存储单元；
数据存储单元，用于存储所述硬件单元发送的数据，以及所述应用单元发送的应用处理结果。
9.根据权利要求1所述的网络节点，其特征在于，所述传感器模块包括温度传感器、加速度传感器和光强传感器；其中，
温度传感器，用于采集外部温度，并将采集到的温度发送至所述无操作系统的处理器； 
加速度传感器，用于采集外部加速度，并将采集到的加速度发送至所述无操作系统的处理器；
光强传感器，用于采集外部光线强度，并将采集到的光线强度发送至所述无操作系统的处理器。
10.根据权利要求1所述的网络节点，其特征在于，所述无操作系统的处理器为ARM920T，所述无线通信模块为CC2420。 
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Addressee: Lin Xuegang

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