CN101945497A - 一种收集能量的无线传感器网络节点 - Google Patents

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邓胡滨
张磊
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Abstract

本发明公开了一种收集能量的无线传感器网络节点，是一种可实现开源节流的节点。其特征是本发明的处理器及射频处理器均采用高性能低功耗高集成度的QLP封装的芯片，无线数据传输采用Zigbee协议，借助于Zigbee的优点设计了一种适用于不同场合的无线传感器网络节点。本发明还增加无线传感器节点能量和降低传感器节点的能耗，采用的收集能量的模块化设计为传感器信号的传输提供了的充足能量，同时通过技术手段控制传感器工作在低功耗模式中，从而有效延长整个网络的生存时间。由于节点的模块化设计，节点可以根据不同的需求自由组合，使得节点可以适应各种场合，也避免了一些重复设计，减少了开发成本。

Description

一种收集能量的无线传感器网络节点
技术领域
本发明涉及一种收集能量的无线传感器网络节点，属新型无线传感器节点电源及控制技术。
背景技术
无线传感器网络是由许多传感器节点以自组织方式构成的分布式无线网络系统，其目的是协作地监测、采集和处理覆盖区域内的被监测对象的信息，并发送给信息用户。
无线传感器网络的出现引起了全世界范围内的广泛关注。它的低功耗、低成本、小型化等要求给物理层的设计带来了很多困难。无线传感器网络节点的能量问题研究仍然非常初步，亟待解决。以往的低功耗技术即活动状态与休眠之间的切换，这种转换模型已经过于简单，还不具备实际的指导意义，有待进一步的探讨。
一种收集能量的无线传感器网络节点是一种新型的的结构和新的方法，它不仅解决的无线传感器网络节点能量缺乏的不足，同时采用功能强大的芯片组及低功耗技术使得无线传感器网络节点的能量得到最大化、最优化的使用，而且增加了节点的集成度，降低了成本，生产方便快捷。
本节点采用的是模块化设计，电源模块可以收集太阳能，如果添加更多的收集能量的装置便可应用于更多环境和场合。
发明内容
针对现有的发明技术不足，本发明的目的公开一种收集能量的无线传感器网络节点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：节点采用模块化设计，包括母板模块、射频模块、传感器模块和电源模块，所述电源模块采用收集能量的太阳能电池板和可充电电池，并集成稳压电路LM7805、MAX690A芯片和AMS1117-3.3芯片，保证节点能量的稳定和长期有效；所述母板模块集成了STM32F103CBT7微处理器芯片、LED灯、接插件、电平转换芯片、6引脚IIC总线I/O接插件、JTAG接口和串口，保证节点的多功能性和多选择性；射频模块包括CC2480无线通信芯片、巴伦、天线、LED灯和8脚接插件，CC2480无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接，射频模块通过8脚接插件与母板模块相连，保证无线数据通信稳定、高效；传感器模块采用数字温湿度传感器SHT10芯片，传感器模块是通过6脚IIC总线I/O接插件与母板模块相连；
所述电源模块与所述母板模块、所述射频模块、所述传感器模块电连接，为所述模块提供可靠而稳定的电源；所述母板模块与所述射频模块、传感器模块电连接，用于控制传感器模块时分的采集数据及控制射频模块低功耗的与其他节点通信。
本发明所具有的明显的优点是：本发明采用高性能低功耗的ARM嵌入式微处理器STM32F103CBT7以及固化了zigbee协议的高性能低功耗高集成度的工业用射频芯片CC2480，节点间无线数据传输采用zigbeee协议，借助于Zigbee的优点设计了一种适用于不同场合的无线传感器网络节点，增加了无线传感器节点能量和降低传感器节点的能耗；采用的收集能量的电源模块化设计方案即双电源设计，为传感器信号的传输提供了的充足能量，从节点有能量来源角度解决了节点能量问题，同时通过技术手段控制传感器工作在低功耗模式中，从而有效延长整个网络的生存时间；由于节点的模块化设计，节点可以根据不同的需求自由组合，使得节点可以适应各种场合，也避免了一些重复设计，减少了开发成本。
附图说明
图1系统框图
图2母板模块原理图一
图3母板模块原理图二
图4射频模块原理图
图5电源板原理图
图6CC2480射频模块PCB图
图7CC2480射频模块(反面)PCB图
图8CC2480初始化流程图
具体实施方式
母板模块：
如图2所示，母板模块包括微处理器芯片，LED灯，接插件，电平转换芯片，微处理器分别与电源，LED灯，6引脚IIC总线I/O接插件，JTAG接口和经电平转换芯片与串口相连。处理器采用ST公司增强型STM32F103CBT7HB微处理器。32位的
Figure BSA00000252370500031
CortexTM-M3内核，工作频率在72MHz，内部有128K的闪存和20K的SRAM，丰富的增强I/O接口和连接到两条APB总线的外设，2个12位的ADC、7个通用16位定时器和一个PWM定时器、9个标准而先进的通信接口、2个IIC和SPI、3个USART、一个USB、一个CAN。内嵌4～16MHz的高速晶振，8MHz的调校的RC振荡器工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V等。
微处理器的第1引脚经过100nF陶瓷电容连接到VDD电源上，3、4引脚接时钟晶振32.768kHz，5、6引脚接8MHz时钟晶振，7引脚接0.1μF的电容与开关按键并联接地，8引脚接地，9引脚接VDD并通过一个10nF的陶瓷电容和1μF的胆电容接地，14、15、16、17引脚为SPI总线接口分别和无线通信模块的CC2480芯片第13、14、16、15引脚进行数据传输，20、44引脚通过10K的电阻和拨动开关接VDD，21、22、42、43、45、46引脚为I2C总线接口，经100Ω和4.7K的上拉电阻与传感器模块连接。23、35、47引脚接地，24、36、48引脚接VDD3.3V并通过11个100nF陶瓷电容和一个4.7μF胆电容接地，25、26、27、28引脚分别和无线通信模块的CC2480芯片的5、6、11、12引脚进行数据传输，29、30、31、32引脚通过电平转换芯片MAX3232与串口相连。34、37、38、39引脚为JTAG接口。
射频模块：
如图3所示，射频模块上采用的是IT公司推出的CC2480，它完全集成和加强的IEEE 802.15.4兼容的2.4GHz直接序列扩频射频收发器。具有高接受灵敏度和抗干扰性能力，并且只需要很少的外部元件便可以和处理器构成一个功能比较强大的无线通信系统。CC2480通过32、33、34引脚通过电感L321、L331、L332和一条PCB微波传输线引入天线，26脚接外部精密电阻43kΩ后接地，第24、25、27～31、35～40脚相连，24脚还接负载电容220nF，42脚接负载电容1μF，第41、47、7、20、23引脚接3.3V电源供电，43和44脚接时钟晶振32.768kHz，获得32kHz振荡频率，19和21脚接时钟晶振32MHz获得32MHz高速振荡频率。射频模块的CC2480第5、6、11、12、13、14、15、16脚与母板模块中微处理器相连。CC2480射频模块PCB图如图6、图7所示，CC2480射频模块初始化流程如图8所示。
电源模块：
如图4所示，电源模块有+8V的太阳能电池板经集成稳压电路LM7805在2200UF、100UF的滤波电容和两个0.1UF的去耦电容作用下稳定成5V电压。LM7805的输出电压作为MAX690的VCC，同时经过R1，R2的调整作为PFI的输入。MAX690是美国MAXIM公司的微处理器监控芯片，工作电压VCC：1.2～5.5V；静态电流：200uA；备用电池方式静态电流：5uA；输出电压VOUT(Iout＝50mA)：VCC-0.25V；MAX690的复位电平为4.65V。当VCC高于复位电平时，VOUT端由VCC供电；当VCC高于VBATT，并且低于复位电平时，VOUT端由VCC供电；当VCC低于复位电平，并且低于VBATT时，VOUT端由VBATT供电。VOUT为母板模块、传感器模块和射频模块供电。WDI引脚悬空，为了使定时器停止工作，减小功耗。当系统掉电和供电过低的情况下，在VBATT端的备用电池就会自动为系统提供电源。同时也实现了提高节点的工作时长，提高系统的整体生命周期的功能。然后VOUT通过100nF和10uF电容滤波、去耦，作为AMS1117-3.3输入端。AMS1117-3.3的输出端同样有10uF和100nF的电容。AMS1117-3.3的1引脚接地。通过由AMS1117-3.3组成的稳压电路，最后将电路电压稳定在3.3V。AMS1117-3.3的Vout的输出电压为母板模块、传感器模块和射频模块供电。

Claims (2)

1.一种收集能量的无线传感器网络节点，包括母板模块、射频模块、传感器模块和电源模块，其特征在于，所述节点采用模块化设计，所述电源模块采用收集能量的太阳能电池板和可充电电池，并集成稳压电路LM7805、MAX690A芯片和AMS1117-3.3芯片；所述母板模块集成了STM32F103CBT7微处理器芯片、LED灯、接插件、电平转换芯片、6引脚IIC总线I/O接插件、JTAG接口和串口；射频模块包括CC2480无线通信芯片、巴伦、天线、LED灯和8脚接插件，CC2480无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接，射频模块通过8脚接插件与母板模块相连；传感器模块采用数字温湿度传感器SHT10芯片，传感器模块是通过6脚IIC总线I/O接插件与母板模块相连；
所述电源模块与所述母板模块、所述射频模块、所述传感器模块电连接，为所述模块提供可靠而稳定的电源；所述母板模块与所述射频模块、传感器模块电连接，用于控制传感器模块时分的采集数据及控制射频模块低功耗的与其他节点通信。
2.根据权利要求1所述的一种收集能量的无线传感器网络节点，其特征在于，所有模块均涉及采用低功耗技术，当输出功耗小于电源模块的输入功耗时，节点的能量为无限多，消除了无线传感器网络节点能量限制，最大化利用节点的能量。
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