CN102034369A - 基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台 - Google Patents
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Abstract
基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台设计并实现了一个移动无线传感器网络实验平台，教学内容丰富，实验环境开放，便于学习和研究移动无线传感器网络。实验装置包括基于智能小车的移动传感器节点、静态无线传感器节点、汇聚节点、个人计算机系统。移动传感器节点具有：主控制子系统，包括微处理器、存储器、I/O驱动电路、电源供电电路等；传感器子系统，起到了环境数据采集及处理的作用，把处理后的数据传送给主控制系统；执行子系统，由直流电机驱动机械传动结构完成动作；通信子系统，实现移动传感器节点和静态传感器节点、汇聚节点进行无线通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种科学实验平台，尤其涉及一种用于移动无线传感器网络实验研究的装置。
背景技术
传统的无线传感器网络的研究实验都是基于静态节点的。但静态无线传感器网络（所有节点均为静止）不可避免地存在能量空洞、冗余覆盖和热点等问题。现有的很多无线传感器网络应用都引入了移动传感器节点，以解决上述问题。
现有的一些移动传感器节点存在一些缺陷，例如价格昂贵，移动速度慢，数据存储量小，以及外扩接口不丰富。有些移动传感器通过购买机器人小车，并外接一个传感器组成，使得通信和移动不能有机地结合在一起，无法满足科学实验的要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的是设计一个移动无线传感器节点，并实现一个移动无线传感器网络实验平台。在该平台中移动节点与静态节点之间相互通信，移动节点在网络中自由行走，可收集静态节点的数据。此外移动节点可用于感知静态节点网络不能覆盖的区域的环境。
技术方案：本发明的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于该实验平台包括基于智能小车的移动传感器节点、静态无线传感器节点、汇聚节点、个人计算机系统；其中，
移动传感器节点包括以下子系统：
主控制子系统：包括微处理器Luminary LM3S1607、存储器、I/O驱动电路；
传感器子系统：连接各种传感器，起到了环境数据采集及处理的作用，把处理后的数据传送给主控制系统；
执行子系统：采用L298P电机驱动模块，由直流电机驱动机械传动结构完成方向轮移动；通信子系统，采用CHIPCON的CC2430通信模块，和静态传感器节点、汇聚节点进行无线通信；电源管理子系统：采用9V/12V电源供电，使用电源适配器或者使用电池供电；经稳压器和供电管理模块分别产生3.3V和2.5V电源给各个功能模块供电，分别为：9V/12V给执行子系统供电；3.3V给通信子系统、传感器子系统供电；2.5V给主控制子系统供电；
静态无线传感器节点具有：无线通信模块、数据处理模块、传感模块和电源供电模块；
汇聚节点接收移动传感器节点收集的数据；个人计算机系统完成无线网络模拟、无线传感器网络数据处理；移动传感器节点根据相关协议逐个收集静态节点的数据，或根据汇聚节点的要求执行环境感知任务。
其中：
移动传感器节点主芯片采用基于ARM Cortex M3的Luminary LM3S1607，具有高性能的32位处理能力。
通信子系统采用CHIPCON的CC2430，无线通信的物理层和MAC层基于IEEE802.15.4标准，上层基于ZigBee标准。
移动传感器节点包含2路直流电机驱动电路，同时集成了双UART、I2C、双SPI、8 路12 位ADC外围部件接口，可外扩多个种类的传感器。
移动传感器节点根据汇聚节点指令收集静态节点的数据，移动传感器节点根据汇聚节点指令移动到指定位置感知环境。
所有节点均是可编程的，移动传感器节点采用μC/OS-II嵌入式操作系统，支持内部通信协议的修改。
有益效果：本发明设计一个移动无线传感器节点，并实现一个移动无线传感器网络实验平台。通过该平台可实现多种基于移动环境下的传感器网络实验，从而提高系统性能并具有以下有益效果：
1、实验内容丰富。本发明可以用于不同环境下的移动传感器网络实验。例如模拟智能交通的实验或农业智能灌溉的实验。此外，本系统实现了嵌入式开发与传感器网络相结合，可用于传感器课程的教学实验。
2、系统开放。本发明公开了主控制系统、通信系统、传感系统等的功能原理图，方便用户根据自身需求该进移动传感器节点。
3、系统配置灵活。移动传感器与静态传感器移植了操作系统，采用统一的通信协议，编程方便，可组成多种结构的无线传感器网络。
附图说明
图1是实验平台拓扑结构图。
图2是移动传感器节点的体系结构图。
图3是电机驱动电路原理图。
图4是无线射频通讯电路设计原理图。
图5是Telosb无线传感器节点结构图。
具体实施方式
本发明的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台包括基于智能小车的移动传感器节点、静态无线传感器节点、汇聚节点、个人计算机系统；其中，移动传感器节点包括以下子系统：主控制子系统：包括微处理器Luminary LM3S1607、存储器、I/O驱动电路；传感器子系统：连接各种传感器，起到了环境数据采集及处理的作用，把处理后的数据传送给主控制系统；执行子系统：采用L298P电机驱动模块，由直流电机驱动机械传动结构完成方向轮移动；通信子系统，采用CHIPCON的CC2430通信模块，和静态传感器节点、汇聚节点进行无线通信；电源管理子系统：采用9V/12V电源供电，使用电源适配器或者使用电池供电；经稳压器和供电管理模块分别产生3.3V和2.5V电源给各个功能模块供电，分别为：9V/12V给执行子系统供电；3.3V给通信子系统、传感器子系统供电；2.5V给主控制子系统供电；静态无线传感器节点具有：无线通信模块、数据处理模块、传感模块和电源供电模块；汇聚节点接收移动传感器节点收集的数据；个人计算机系统完成无线网络模拟、无线传感器网络数据处理；移动传感器节点根据相关协议逐个收集静态节点的数据，或根据汇聚节点的要求执行环境感知任务。
移动传感器节点的主控制系统采用采用基于ARM Cortex M3的Luminary LM3S1607，操作系统采用μC/OS-II。电机驱动电路采用L298P，驱动两路直流电机。无线通讯电路采用CC2430为收发数据的控制芯片，CC2430是一个真正的基于无线传感器网络ZigBee/802.15.4解决方案的片上系统。同时节点集成了双UART、I2C、双SPI、8 路12 位ADC等众多外围部件接口，可外扩多个种类的传感器。静态传感器节点采用Telosb无线传感器节点，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。移动节点和静态节点相互通行交换数据。
本发明的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台设计一个移动无线传感器节点，并实现一个移动无线传感器网络实验平台。系统拓扑结构如图1所示。平台包括移动传感器节点、静态传感器节点、汇聚节点以及个人计算机系统。移动传感器节点和静态传感器节点组成了移动无线传感器网络，将数据发送给汇聚节点，其与个人计算机系统相连，进行数据的收集、处理与网络的拓扑控制等。
本发明设计并实现了一个基于智能小车的移动传感器节点。其体系结构如图2所示。移动传感器节点主要包括主控制子系统、执行子系统、通信子系统及辅助的电源管理子系统。
主控制子系统选择LM3S1607为控制器电路主板的微处理器芯片，计算处理接收的指令和采集的数据，嵌入操作系统μC/OS-II管理各个任务的协调和调度。控制器电路主板周边引出微处理器的各外设接口和通用I/O管脚用于连接外设。其SPI接口和无线通信设备连接，模拟输入接口管脚连接传感器，JTAG用于将程
序固化到微处理器Flash 中。
采用L298P驱动移动节点的2路直流电机。有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降。移动传感器节点的电机驱动原理图如图3所示。
无线通讯电路采用CC2430为收发数据的控制芯片。CC2430是一个真正的基于无线传感器网络ZigBee/802.15.4解决方案的片上系统。芯片上集成了性能卓越的射频收发模块CC2420内核、符合工业标准的增强型8051微控制器和定位引擎，具有128K闪存、8K的随机存储器、DMA控制器、定时器、AES-128协处理器、8-14位的ADC，串口、休眠模式下的定时器及21个可编程I/O口等丰富的外设。
以CC2430为核心的无线射频通讯电路设计如图4所示。
本实施例中使用的静态无线传感器节点为Telosb无线传感器节点。它包括无线通信模块、数据处理模块、传感器模块和电源供给模块，其连接关系如图5所示。无线通信模块采用基于IEEE802.15.4协议的CC2420通信芯片实现，数据处理模块采用基于TI MSP430微处理器实现，传感模块可以是光传感、磁传感、加速度传感等。由于传感器制造技术已经成为公知技术，在此不再赘述。
移动传感器节点与静态无线传感器节点组成异构网络，上层采用Zigbee协议进行通信。移动传感器节点的任务可以完成数据收集与环境感知等功能。通过收集静态节点的数据，可以减少静态节点之间数据转发而消耗的能量，提高网络寿命，但同时也增加了延时，因此需要网络能够容忍一定的数据时延。另一方面，汇聚节点根据分析静态节点的数据，向移动传感器节点发出指令，使其能移动到指定的位置进行环境感知，增加网络覆盖范围。
通过上述的实施方式的描述，本领域的技术人员可以很清楚的理解到本发明的实现方式，同时也能很清楚的了解实验的设计过程。上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于该实验平台包括基于智能小车的移动传感器节点、静态无线传感器节点、汇聚节点、个人计算机系统；其中，
移动传感器节点包括以下子系统：
主控制子系统：包括微处理器Luminary LM3S 1607、存储器、I/O驱动电路；
传感器子系统：连接各种传感器，起到了环境数据采集及处理的作用，把处理后的数据传送给主控制系统；
执行子系统：采用L298P电机驱动模块，由直流电机驱动机械传动结构完成方向轮移动；
通信子系统，采用CHIPCON的CC2430通信模块，和静态传感器节点、汇聚节点进行无线通信；
电源管理子系统：采用9V/12V电源供电，使用电源适配器或者使用电池供电；经稳压器和供电管理模块分别产生3.3V和2.5V电源给各个功能模块供电，分别为：9V/12V给执行子系统供电；3.3V给通信子系统、传感器子系统供电；2.5V给主控制子系统供电；
静态无线传感器节点具有：无线通信模块、数据处理模块、传感模块和电源供电模块；
汇聚节点接收移动传感器节点收集的数据；
个人计算机系统完成无线网络模拟、无线传感器网络数据处理；
移动传感器节点根据相关协议逐个收集静态节点的数据，或根据汇聚节点的要求执行环境感知任务。
2.根据权利要求1所述的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于：移动传感器节点主芯片采用基于ARM Cortex M3的LuminaryLM3S 1607，具有高性能的32位处理能力。
3.根据权利要求1所述的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于：通信子系统采用CHIPCON的CC2430，无线通信的物理层和MAC层基于IEEE802.15.4标准，上层基于ZigBee标准。
4.根据权利要求1所述的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于：移动传感器节点包含2路直流电机驱动电路，同时集成了双UART、I2C、双SPI、8路12位ADC外围部件接口，可外扩多个种类的传感器。
5.根据权利要求1所述的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于：移动传感器节点根据汇聚节点指令收集静态节点的数据，移动传感器节点根据汇聚节点指令移动到指定位置感知环境。
6.根据权利要求1所述的基于移动传感器节点的无线传感器网络实验平台，其特征在于：所有节点均是可编程的，移动传感器节点采用μC/OS-II嵌入式操作系统，支持内部通信协议的修改。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120502 Termination date: 20131213 |