CN102076066A - 一种无线传感器网络节点及其通信控制方法 - Google Patents

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孙道宗
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Abstract

本发明提供一种无线传感器网络节点，包括：用于数据采集、处理和逻辑控制的单片机控制模块；与单片机控制模块连接、用于连接传感器的扩展接口；与单片机控制模块连接、用于连接外部设备的外部设备驱动电路；与单片机控制模块连接、用于数据无线传输的无线收发模块；用于提供各部分工作电源的电源模块；无线收发模块受节点中单片机控制模块分级控制，根据需要定时或实时在由多个节点组成的无线传感器网络中传输数据。本发明所提供的无线传感器网络节点信号穿透力强，适用范围广，价格便宜，可大规模推广应用。适合于在地理位置偏远、地形起伏较大、通信障碍物明显、需要部署众多节点的山地等农田的数据采集、无线传输及远程控制。

Description

一种无线传感器网络节点及其通信控制方法
技术领域
本发明涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络节点及其通信控制方法。
背景技术
传统的田间数据采集主要靠手持仪器进行现场、逐个测量，或通过卫星遥感等进行大面积估算。人工现场测量费时费力，效率低下，而卫星遥感等仅适合政府机构进行宏观指导，不适用于我国目前的分散管理的土地经营方式。将无线传感器网络应用于农田信息的采集与传输可有效解决传统监测方式的不足，提高农业生产的信息化水平、降低生产成本。而无线传感器网络节点是整个传感器网络的支撑平台和应用基础。
目前无线传感器网络节点以国外的产品为主，国内也有多家研究无线传感器网络节点的公司，多数采用的是基于国外公司开发的ZigBee协议，在此基础上设计传感器节点的硬件。国外的产品大多数价格较高，而基于ZigBee协议的国内开发的传感器节点则协议较为复杂且无自主知识产权，在复杂农田中的数据传输距离很短，其在农业领域的应用场合有限、效果不佳，难以大规模推广和使用。
发明内容
针对上述无线传感器网络节点在应用上的不足，本发明提供一种无线传感器网络节点，该无线传感器网络节点信号穿透力强，适用范围广，价格便宜，可大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供所述无线传感器网络节点中无线通信模块的通信控制方法，适合于在地理位置偏远、地形起伏较大、通信障碍物明显、需要部署众多节点的山地（如茶园）等农田的数据采集、无线传输及远程控制。
本发明的无线传感器网络节点包括：用于数据采集、处理和逻辑控制的微控制器模块；与所述微控制器模块连接、用于连接外部设备的外部设备驱动电路；与所述微控制器模块连接、用于数据无线传输的无线通信模块；用于提供所述各部分工作电源的电源模块和与所述微控制器模块连接的传感器模块，所述无线通信模块受节点中微控制器模块分级控制，根据需要定时或实时在由多个节点组成的无线传感器网络中传输数据。
对上述方案的进一步改进，还包括与所述微控制器模块1连接、用于连接传感器或控制设备的扩展接口模块。
所述控制设备可为滴灌系统或杀虫灯。
所述微控制器模块为单片机控制模块。
所述单片机控制模块为ATmega128L。
所述无线通信模块为无线通信模块nRF905。
所述的无线传感器网络节点所用无线通信模块的通信控制方法，包括以下步骤：
1）所述无线通信模块接收到数据包后，微控制模块解析该数据包并检查登记表；
2）如果所述无线通信模块收到过相同的数据包，就不转发，进入等待接收数据包的状态；如果收到的数据包不同于登记表中的信息，则进入下一步；
3）所述无线通信模块转发数据包并将其记入登记表；
4）所述无线通信模块进入等待接收数据包状态。
所述传感器节点在定时工作的模式下，非工作时间节点处于睡眠状态，以节省电能、延长节点寿命。
本发明所提供的无线传感器网络节点信号穿透力强，适用范围广，价格便宜，可大规模推广应用。其无线通信模块的通信控制方法适合于在地理位置偏远、地形起伏较大、通信障碍物明显、需要部署众多节点的山地（如茶园）等农田的数据采集、无线传输及远程控制。
附图说明
 图1为本发明无线传感器网络节点结构图；
图2为本发明单个节点接收及转发数据包流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示无线传感器网络节点包括：用于数据采集、处理和逻辑控制的微控制器模块1；与所述微控制器模块1连接、用于连接外部设备的外部设备驱动电路3；与所述微控制器模块1连接、用于数据无线传输的无线通信模块4；用于提供所述各部分工作电源的电源模块5和与所述微控制器模块1连接的传感器模块6，所述无线通信模块4受节点中微控制器模块1分级控制，根据需要定时或实时在由多个节点组成的无线传感器网络中传输数据。
对上述方案的进一步改进，还包括与所述微控制器模块1连接、用于连接传感器或控制设备的扩展接口模块2。
所述控制设备可为滴灌系统或杀虫灯。
所述微控制器模块1为单片机控制模块。
所述单片机控制模块为ATmega128L。
所述无线通信模块4为无线通信模块nRF905。
所述无线通信模块nRF905自带载波监测协议，由一个完全集成的频率调节器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶振振荡器和一个调节器组成。
所述的无线传感器网络节点所用无线通信模块的通信控制方法，包括以下步骤：
1）所述无线通信模块4接收到数据包后，单片机控制模块解析该数据包并检查登记表；
2）如果所述无线通信模块4收到过相同的数据包，就不转发，进入等待接收数据包的状态；如果收到的数据包不同于登记表中的信息，则进入下一步；
3）所述无线通信模块4转发数据包并将其记入登记表；
4）所述无线通信模块4进入等待接收数据包状态。
所述传感器节点在定时工作的模式下，非工作时间节点处于睡眠状态，以节省电能、延长节点寿命。
本实施方式以ATmega128L处理器和nRF905无线通信模块为核心，硬件方面采用发射功率多级、可控，软件方面在泛洪协议的基础上设计改进了通信协议，采用可规避网络数据无效循环的动态路由协议，完成无线传感器网络节点的设计与实现。
该无线传感器网络节点以ATmega128L处理器为核心，系统具有上电自动复位及手动按键复位功能，晶体振荡电路为系统提供工作所需要的时钟信号，所有的设备控制、任务调度、数据整合、数据转存、能量计算、功能协调和通信协议都将在这个模块的支持下完成。
该无线传感器网络节点的传感器模块6用于采集现场数据，通过接口电路可连接常用于农田数据采集的TDR-3土壤水分传感器、SHT11温湿度等传感器，此类常用传感器的驱动程序等已包含在系统的软件中。扩展接口不连接传感器的节点，其作用为接收其他节点发送过来的数据并进行转发，实现中继的功能。此外，扩展接口还可连接农田中常用的滴灌系统、杀虫灯等控制设备，连接此类设备的节点根据接收到的指令控制相应设备的工作状态。滴灌系统、杀虫灯等设备的驱动电路已集成到无线传感器网络节点的硬件电路中。
该无线传感器网络节点数据的收发全部通过nRF905无线收发模块完成。nRF905无线通信芯片工作电压范围1.9-3.6V，发射功率可调，自带载波监测协议，由一个完全集成的频率调节器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶振振荡器和一个调节器组成。在功耗一定的情况下，该无线传感器网络的节点有效通信距离在空旷地带达到150m，在农田环境下通信距离可以达到120m。
该无线传感器网络节点已预写入可规避网络数据无效循环的动态的路由协议，传统的泛洪协议实现方法是产生数据的节点向整个无线传感器网络广播该数据包，收到该数据包的节点也采用广播的方式向全网广播接受到的数据包。泛洪广播容易引起广播风暴和无效循环。本发明在泛洪协议的基础上加入数据包登记机制，来退避循环路由和广播风暴。每个节点收到一个数据包后，先检查自己的登记表，看是否收到过相同的数据包，如果已经收到过相同的或者自己产生的数据包就不转发，反之就转发并且登记该数据包，以提高路由的效率和网络的吞吐量。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
以ATmega128L处理器和nRF905无线通信模块为核心，并在泛洪协议的基础上设计可规避网络数据无效循环的动态的路由协议。
ATmega128L处理器丰富的外设和内部资源可在不改变硬件电路的情况下实现功能的扩展，同时具备低功耗和睡眠模式，可充分节省电能、延长节点的寿命。
硬件方面采用发射功率多级、可控的nRF905无线通信芯片，整个无线通信模块工作电压范围1.9-3.6V，发射功率可调，发射功率大则通信距离远，可根据需要综合考虑通信距离和功耗，折衷选择发射功率，此外，nRF905无线通信芯片自带载波监测协议，由集成的频率调节器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶振振荡器和一个调节器组成，集成度较高，提高整个节点的抗干扰能力和通信的可靠性，并且可有效降低成本。
设计基于泛洪协议、可规避网络数据无效循环的动态的路由协议，可有效提高路由的效率和网络的吞吐量。
如图2所示，本无线传感器网络节点接收数据包采用中断的方式进行，当节点接收到一个数据后，中断程序中推入一个接受数据包的任务，接收完数据包后，对接收的数据包进行解析，判断是否转发该数据包，如果转发该数据包，添加本节点信息并打包该数据包，然后采用广播的形式转发该数据包。
该无线传感器网络节点通过2节AA电池供电。
本发明所提供的无线传感器网络节点信号穿透力强，适用范围广，价格便宜，可大规模推广应用。适合于在地理位置偏远、地形起伏较大、通信障碍物明显、需要部署众多节点的山地（如茶园）等农田的数据采集、无线传输及远程控制。

Claims (7)

1.一种无线传感器网络节点，包括用于数据采集、处理和逻辑控制的微控制器模块（1）；与所述微控制器模块（1）连接、用于连接外部设备的外部设备驱动电路（3）；与所述微控制器模块（1）连接、用于数据无线传输的无线通信模块（4）；用于提供所述各部分工作电源的电源模块（5）和与所述微控制器模块（1）连接的传感器模块（6），其特征在于：所述无线通信模块（4）受节点中微控制器模块（1）分级控制，根据需要定时或实时在由多个节点组成的无线传感器网络中传输数据。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于：还包括与所述微控制器模块（1）连接、用于连接传感器或控制设备的扩展接口模块（2）。
3.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络节点，其特征在于：所述微控制器模块（1）为单片机控制模块。
4.根据权利要求3所述的无线传感器网络节点，其特征在于：所述单片机控制模块为ATmega128L。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络节点，其特征在于：所述无线通信模块（4）为无线通信模块nRF905。
6.一种如权利要求1所述的无线传感器网络节点所用无线通信模块的通信控制方法，包括以下步骤：
1）所述无线通信模块（4）接收到数据包后，微控制器模块（1）解析该数据包并检查登记表；
2）如果所述无线通信模块（4）收到过相同的数据包，就不转发，进入等待接收数据包的状态；如果收到的数据包不同于登记表中的信息，则进入下一步；
3）所述无线通信模块（4）转发数据包并将其记入登记表；
4）所述无线通信模块（4）进入等待接收数据包状态。
7.根据权利要求6所述的通信控制方法，其特征在于：传感器节点在定时工作的模式下，非工作时间节点处于睡眠状态。
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