CN102104990A

CN102104990A - 长寿命高精度无线传感器网络节点结构

Info

Publication number: CN102104990A
Application number: CN2010106058830A
Authority: CN
Inventors: 张骏; 唐勇; 汪文勇; 向渝
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-06-22

Abstract

本发明公开了一种长寿命高精度无线传感器网络节点结构，涉及无线传感器网络结构技术领域。包括无线传感器节点和汇聚节点，所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC13224系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制在电压和电流足够的情况下实现使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电。本发明实现了与多种供电电压为2.5V的传感器接口，提供高精度微弱电压信号的采集能力。最小可采集电压为：单端1.19微伏，差分2.38微伏，数据采集误差<2%。

Description

长寿命高精度无线传感器网络节点结构

技术领域

本发明涉及无线传感器网络结构技术领域。

背景技术

通用的无线传感器网络由无线传感器节点（Sensor Node）和汇聚节点（Sink Node）构成。无线传感器节点决定了传感器网络的数据采集能力，汇聚节点决定了整个传感器网络的数据传输带宽和传感器网络和数据中心之间的位置关系。

1、无线传感器节点（Sensor Node）

无线传感器节点主要由数据获取模块（Data Acquisition Module）、数据处理模块（Data Processing Module）、数据发送和接收模块（Data Transmitting and Receiving Module）以及电源管理模块（Power Module）。目前的无线传感器节点普遍存在数据采集误差较大和工作寿命短的缺陷。

数据获取模块决定了整个传感器网络的数据采集精度。现有的无线传感器节点在数据采集精度上存在缺陷，主要表现为电压分辨率过低和采集误差较大。目前无线传感器节点的电压分辨率通常在2.5mV左右，采集误差在5%~10%之间。

造成现有无线传感器节点电压分辨率过低的主要原因是现有的节点为了节约能耗通常采用MCU内部集成的AD转换器。因为适用于无线传感器节点的MCU通常集成度都非常高，而系统对能耗的要求也非常高，所以MCU内集成的AD转换器一般不超过14位，有效位一般不超过12位。这种AD转换器能够满足一般的数据采集要求，但对于一些高精度低输出的传感器就无能为力了。

造成数据采集误差较大的原因则来自于多方面的因素：首先是来自于数字系统的数字干扰，这种干扰主要是由于数字信号的突变造成的；其次就是来自于传感器本身的热噪声；还有来自外界的电磁干扰等等。现有的无线传感器节点通常是通过使用外置射频收发芯片来实现MAC层和物理层，这样通常会使整个节点电路中的高频部分更多，噪声更难控制，增加整个系统的成本，现在已经出现了一些集成射频收发模块的SoC，但还没有得到广泛的使用。

现有无线传感器节点通常使用能量有限的一次性锂亚电池作为能源，虽然使用了很多降低能耗的算法来提高节点的生命周期，但是没有补充的能源终将耗尽，无线传感器节点将停止工作。因此，能源问题就成了制约整个无线传感器网络生命周期的关键因素。

2、汇聚节点（Sink Node）

汇聚节点主要功能是通过短距离的无线技术将无线传感器网络内的各传感器节点数据汇聚到自身的存储器中，并通过一定的通信技术手段将数据发送给数据中心，数据中心再通过互联网对外发布无线传感器网络对其监测区域的感知信息；同时汇聚节点还能接收来自于监控中心的指令，向网络内的传感器节点发送指令以控制节点的数据采集时间、采集密度和休眠时间等参数的正确设置。

通常无线传感器网络中汇聚节点使用与传感器节点相同的短距离无线技术实现两者之间的组网和通信等功能，。而汇聚节点在与数据中心进行通信时通常使用有线通信方式（如串行通信RS232和RS485等方式）。有线通信方式在很大程度上限制了无线传感器网络在更大范围和更远地域上的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种无线传感器网络节点结构，本发明解决了现有无线传感器节点普遍存在数据采集误差较大和工作寿命短的缺陷，同时，本发明还解决了现有传感器网络由于通常采用有线方式与数据中心连接而不能在更大范围和更远地域上进行应用的技术问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种长寿命高精度无线传感器网络节点结构，包括无线传感器节点和汇聚节点，其特征在于：所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC13224系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC13224系统包括2.4G无线收发模块，无线收发模块与3dB的高增益天线相连。

还包括对电池的输出电压进行降压，使供电电压达到传感器要求的SP6213芯片，MC13224的GPIO和SP6213芯片的使能引脚相连，实现对传感器电源进行开关控制。

还包括用于信号转换的AD7799数模转换芯片。

无线传感器的射频模块以及数字系统的电源和地采用阻抗为300欧的磁珠与ADC的电源和地相隔离。

所述的汇聚节点采用SIMCOM公司的SIM300C模块，并且MC13224系统的UART和所述SIM300C模块进行接口，并在PCB板上开有SIM卡插槽。

所述SIM300C模块还带有电源管理模块，电源管理模块和所述锂电池以及所述太阳能电池板接口相连。

与现有技术相比，本发明所达到的技术效果如下

（1）可实现与多种供电电压为2.5V的传感器接口，提供高精度微弱电压信号的采集能力。最小可采集电压为：单端1.19微伏，差分2.38微伏，数据采集误差<2%。

（2）通过太阳能电池板和电源管理系统可以有效的实现为锂电池充电，实现最大限度延长无线传感器节点工作寿命和无线传感器网络生命周期的能力。

（3）通过在汇聚节点上接口GSM/GPRS模块的方式，实现了汇聚节点和数据中心的远程通信。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为无线传感器网络结构图

图2为无线传感器节点硬件结构图

图3为MC13224射频天线接口示意图

图4为外部ADC以及隔离滤波电路原理图

图5为汇聚节点硬件结构图

图6为SIM300C接口及太阳能电池板接口原理图。

具体实施方式

由于无线传感器网络的应用日益广泛，与之配对的传感器类型和传感器输出也更加多样化，因此对无线传感器节点在数据采集分辨率和采集精度上都提出了更高的要求。现有的无线传感节点设计已经无法满足这种高分辨率和高精度的数据采集需求。

由于应用的特殊性，无线传感器网络通常部署于人类难以接近的区域执行长期连续的监测和控制任务，节点的工作寿命和网络的生存时间要求长达数月或数年。而现有无线传感器节点一般采用容量有限的电池供电，对数量巨大的节点更换电池以延长传感器节点寿命是非常困难甚至是不可行的。因此如何能够有效的补充无线传感器节点的电池电能，从而真正的提高节点和网络的工作寿命和生存周期，成为了当前传感器节点硬件设计的核心。

同时由于无线传感器网络部署地区的特殊性，因此按照常规方法在传感器网络与数据中心之间建立有线通信方式通常不可行，如何能够使传感器网络能够与远程数据中心进行有效通信也是硬件设计的所要解决的主要问题。

下面分别从无线传感器节点和汇聚节点分别介绍上述问题的解决方法和具体的硬件电路实现。

无线传感器节点的设计

无线传感器节点是传感器的直接载体，主要放置在野外。传感器输出的模拟信号经节点的A/D采样后再使用无线通信技术发送给汇聚节点，其硬件结构如图2所示。

延长无线传感器节点工作寿命的设计与实现

采用集成无线收发模块的低功耗MCU

MC13224是飞思卡尔公司设计生产的基于IEEE 802.15.4协议的低功耗高性能片上系统。系统集成了32位ARM7TDMI-S微控制器内核、2.4 GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器、两个8通道12位ADC，4个16位定时器等。只需少许的外部器件便可实现一个完整的信号采集和收发系统。

MC13224是专为无线传感器节点设计的低功耗系列产品，具有3种可以单独选择的功耗模式。其中的低功耗休眠模式，其休眠电流在百纳安级，而且支持2V～3.6V的工作电压，使其在使用电池供电的设备上具有优秀的低功耗表现。通过软件编程可在需要时调整功耗模式以达到最佳的功耗性能。特别是MC13224在其掉电模式（Power Down）下工作电流仅为500nA，并能通过外部高精度32.768KHz的晶振精确控制其休眠时间。

MC13224内部集成了2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，具有出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。其可编程输出功率为＋4dBm，总体无线连接104dbm。只需要极少量的外部元件即可实现无线收发功能。为了延长通信距离，我们选用3dB的高增益天线，并且在PCB板上通过不规则的过孔，使天线能够更加有效的接地，从而达到了增加通信距离的效果。

图3为MC13224的射频天线接口。为了提供使用的灵活性，同时设计了PCB微带天线和SMC接口的外置天线。图中E1为PCB微带天线，J2为外部天线接口。

采用太阳能板和电源管理芯片延长电池供电能力

常规无线传感器节点常常因为电池能量有限，因此采用各种算法来降低系统能耗。这些方法虽然能够起到一定的节能效果，但无线传感器节点的功能乃至整个无线传感器网络的功能受到了一定的限制和影响。

为了提高和延长电池供电能力，我们设计了在可见光条件下采用太阳能电池为无线传感器节点供电，并同时为节点所携带的充电电池进行充电的电源管理系统。电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太阳能电池为节点供电的同时为充电电池充电的功能。

无线传感器节点所接的传感器主要采用2.5V供电电压，虽然对电流要求普遍较小，但如果传感器长时间不间断的使用依然会造成电能的快速流失，使锂电池长期处在充电状态。由于锂电池充放电次数有限，长期充电会使锂电池失效。为此，我们采用只在需要传感器执行感知操作时打开传感器，而在其他时间关断传感器电源的方案以减少电池能量消耗，避免长时期充电。具体实现上采用SIPEX公司的SP6213芯片对电池的输出电压进行降压，使供电电压能够达到传感器要求的2.5V，并且该芯片具有使能控制引脚，我们使用MC13224的GPIO和该芯片的使能引脚相连，实现了对芯片使能的控制，从而达到了开关传感器电源的功能，减少了电池能量消耗。

高精度数据采集的实现

本发明属于高精度采集系统，精度指标要求为最小可采集电压小于40微伏，数据采集误差在2%以内。

MC13224芯片虽然内置了12位ADC，但芯片内部的数模隔离和外部2.5V的参考电压，使得该ADC无法实现40微伏信号的高精度采集。为此，我们采用ADI公司的AD7799数模转换芯片作为系统的信号转换芯片。该芯片为24位ADC，有效位为22位。根据外部设置的2.5V参考电压，我们可得到单端1.19微伏，差分2.38微伏的电压分辨率，完全符合传感器的要求。

影响传感器数据采集误差的主要因素有来自射频模块的高频串扰、来自传感器本身的电源串扰，以及来自于整个数字系统的串扰。除了传感器本身的电源串扰外，其他串扰都是通过电源和地传入ADC采样通道。为了降低来自电源和地的串扰，我们将射频模块以及数字系统的电源和地采用阻抗为300欧的磁珠与ADC的电源和地相隔离，从而为ADC设置了一个相对纯净的电源和地。为了降低来自传感器本身的电源串扰，我们在传感器和ADC通道之间添加了低通滤波器，滤掉高于50Hz的串扰信号。

通过上述设计，实现了单端1.19微伏，差分2.38微伏电压分辨率，并且数据采集误差被控制在2%以内。

汇聚节点的设计

汇聚节点是无线传感器网络和数据中心进行数据交换和接收数据中心指令的核心部件。其功能主要是通过无线传感器网络接收来自于传感器节点的数据和向传感器节点发送操作指令。本发明实现了汇聚节点和数据中心之间通过双向GPRS和SMS进行远程通信的功能，克服了传统有线通信对传感器网络所造成的应用局限性。

汇聚节点的结构如图5所示。

远程通信和电源管理功能的实现

汇聚节点除了和传感器节点通信以外还需要与远程数据中心进行交互通信，实现向数据中心上传数据和从数据中心接收指令。我们采用双向GPRS和SMS无线通信方式，实现汇聚节点和数据中心之间的远程通信功能。具体实现上采用SIMCOM公司的SIM300C模块。该模块能够实现完整的GSM功能，并且能够实现GPRS通信。我们采用MC13224的UART和SIM300C进行接口，实现了对SIM300C的控制和二者之间的数据传输。同时在PCB板上设计了SIM卡插槽，能够方便的使用移动运营商提供的SIM卡实现GSM/GPRS功能和SMS收发存储功能。

SIM300C模块还带有电源管理模块，通过该模块和锂电池以及太阳能电池板的接口实现了在可见光条件下使用太阳能电池供电的同时对锂离子充电电池进行充电的功能。保证通信所需的能量要求。原理图如图6所示。

Claims

1.一种长寿命高精度无线传感器网络节点结构，包括无线传感器节点和汇聚节点，其特征在于：所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC13224系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC13224系统包括2.4G无线收发模块，无线收发模块与3dB的高增益天线相连。

2.根据权利要求1所述的长寿命高精度无线传感器网络节点结构，其特征在于：还包括对电池的输出电压进行降压，使供电电压达到传感器要求的SP6213芯片，MC13224的GPIO和SP6213芯片的使能引脚相连。

3.根据权利要求1或2所述的长寿命高精度无线传感器网络节点结构，其特征在于：还包括用于信号转换的AD7799数模转换芯片。

4.根据权利要求3所述的长寿命高精度无线传感器网络节点结构，其特征在于：无线传感器的射频模块以及数字系统的电源和地采用阻抗为300欧的磁珠与ADC的电源和地相隔离。

5.根据权利要求1所述的长寿命高精度无线传感器网络节点结构，其特征在于：所述的汇聚节点采用SIMCOM公司的SIM300C模块，并且MC13224系统的UART和所述SIM300C模块进行接口，并在PCB板上开有SIM卡插槽。

6.根据权利要求5所述的长寿命高精度无线传感器网络节点结构，其特征在于：所述SIM300C模块还带有电源管理模块，电源管理模块和所述锂电池以及所述太阳能电池板接口相连。