CN102437600A - 一种能量自给的无线传感器网络节点及数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量自给的无线传感器网络节点及数据处理方法，包括处理器模块、串口通信模块、太阳追踪模块，无线通信模块，电源与太阳能充电模块和传感器模块，所述处理器模块分别和串口通信模块、传感器模块、太阳追踪模块及无线通信模块连接，所述太阳能充电模块与串口通信模块、处理器模块及太阳追踪模块连接。本发明处理器模块采集传感器模块的传感器输出信号，进行数据压缩，根据动态路由协议通过无线通信模块传输给其他无线传感器网络节点，采用多跳方式最终将数据传输至用于监测的上位机或互联网；太阳追踪模块通过驱动水平电机和垂直电机追踪太阳，使得太阳能电池板与太阳入射光线垂直，有效提高电池充电效率，延长节点生命周期。

Description

一种能量自给的无线传感器网络节点及数据处理方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络节点的技术领域，特别涉及一种能量自给的无线传感器网络节点及数据处理方法。
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，节点生命周期短，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
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微处理器和无线通信模块为核心，通过在硬件、软件两方面进行改进，适合于在地理位置偏远、不易更换节点电池、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。
本发明的另一目的在于，提供一种能量自给的无线传感器网络节点的数据处理方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种能量自给的无线传感器网络节点，包括用于数据采集、处理和逻辑控制的处理器模块、连接终端PC的串口通信模块、用于驱动太阳能电池板追踪太阳的太阳追踪模块，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以及太阳能充电的电源与太阳能充电模块和传感器模块，所述处理器模块分别和串口通信模块、传感器模块、太阳追踪模块以及无线通信模块连接，所述太阳能充电模块与串口通信模块、处理器模块以及太阳追踪模块连接。
优选的，所述处理器模块为8位单片机最小系统。
优选的，所述8位单片机为MSP430F149、ATmega128、ATmega16、AT89S52、ML67Q5002或ML67Q5003。
优选的，所述无线通信模块包括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。
优选的，所述无线通信模块为nRF905、nRF2401、CC1100、CC2430、CC2420，所述无线通信模块的发射功率受微处理器控制。
优选的，所述电源与太阳能充电模块包括系统供电电源和为系统供电电源充电的太阳能电池板。
优选的，所述系统供电电源采用可充电磷酸铁锂电池。
优选的，所述太阳追踪模块通过驱动垂直电机与水平电机实现太阳能电池板追踪太阳。
为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：
一种能量自给的无线网络传感器节点的数据测量方法，包括下述步骤：
(1)接收数据包；
(2)终端程序推入一个接受数据包的任务；
(3)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，若是，则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，转至(4)；若否，则直接进入步骤(4)；
(4)等待接收数据包。
步骤(3)中，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具体包括为：
(3-1)推入加入本地信息和转发该数据包的任务；
(3-2)执行该转发数据包的任务；
(3-3)推入设定无线通信模块为接受状态的任务；
(3-4)设定无线通信模块为接受状态的任务执行。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明以微处理器和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。采用的微处理器有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，待机模式下电流消耗低，可充分节省电能、延长节点的寿命。
2、本发明硬件方面采用发射功率多级、可控的无线通信芯片，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，选用的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。
3、本发明节点采用太阳能电池板对供电电池进行充电，达到能量自给，并延长节点生命周期的目的；通过太阳追踪模块调整垂直、水平电机，实现太阳能电池板精确追踪太阳，有效提高电池充电效率。
4、本发明设计基于泛洪协议、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。
5、本发明设计太阳追踪控制方法，提高太阳追踪精确度，可有效提高电池充电效率。
附图说明
图1是本发明无线传感器网络节点的结构图；
图2是本发明单个节点接收及转发数据包的流程图；
图3是本发明太阳追踪控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，包括用于数据采集、处理和逻辑控制的处理器模块、连接终端PC的串口通信模块、用于驱动太阳能电池板追踪太阳的太阳追踪模块，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以及太阳能充电的电源与太阳能充电模块和传感器模块，所述处理器模块分别和串口通信模块、传感器模块、太阳追踪模块以及无线通信模块连接，所述太阳能充电模块与串口通信模块、处理器模块以及太阳追踪模块连接。
本实施例无线传感器网络节点以MSP430F149和nRF905无线通信模块为核心。MSP430F149组成的单片机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。本实施例中微处理器除了选用MSP430F149之外，还可选用ATmega128、ATmega16、AT89S52、ML67Q5002或ML67Q5003等来完成。
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203m，在农田环境下通信距离可以达到122m。本实施例中无线通信模块除了选用nRF905外，还可以选用nRF2401、CC1100、CC2430、CC2420等来实现无线数据的传输。
所述串口通信模块可实现节点与PC终端进行数据通信；太阳追踪模块通过驱动垂直、水平电机可实现太阳能电池板对太阳的精确追踪，有效提高充电效率；电源与太阳能充电模块采用太阳能电池板及充电电路为供电电池进行充电，可实现节点能量自给，延长节点生命周期。
所述传感器模块用于采集现场数据，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、DHT22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。
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，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。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。其中，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具体包括为：
推入加入本地信息和转发该数据包的任务；
执行该转发数据包的任务；
推入设定无线通信模块为接受状态的任务；
设定无线通信模块为接受状态的任务执行。
无线传感器网络节点采用太阳能电池板为节点电池充电，传统的太阳能电池板追踪太阳控制方法大多驱动单个电机实现一维方向上的太阳追踪，该方法易受季节变换影响而无法精确追踪太阳。本发明在一维太阳追踪控制方法的基础上增加了一个电机，实现了在二维方向上对太阳的追踪。两个电机中的其中一个电机负责垂直方向调整，另一个电机负责水平方向调整，当两个方向均调整到位后即可实现太阳能电池板对太阳的精准追踪，有效提高充电效率。
如图3所示，本实施例无线传感器网络节点在执行太阳追踪任务时，处理器模块首先测量电池电压，判断电池是否需要充电，如不需充电则结束任务，如需要充电再判断当前天气情况是否适合充电，如不适合充电则结束任务，如适合充电就进行太阳能电池板的方位调整，调整时首先调整水平电机使太阳能电池板在水平方向上正对太阳，再调整垂直电机使太阳能电池板在垂直方向上正对太阳，最后结束太阳追踪任务。本实施例无线传感器网络节点通过3节磷酸铁锂电池供电。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，包括用于数据采集、处理和逻辑控制的处理器模块、连接终端PC的串口通信模块、用于驱动太阳能电池板追踪太阳的太阳追踪模块，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以及太阳能充电的电源与太阳能充电模块和传感器模块，所述处理器模块分别和串口通信模块、传感器模块、太阳追踪模块以及无线通信模块连接，所述太阳能充电模块与串口通信模块、处理器模块以及太阳追踪模块连接。
2.根据权利要求1所述能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述处理器模块为8位单片机最小系统。
3.根据权利要求2所述能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述处理器模块为MSP430F149、ATmega128、ATmega16、AT89S52、ML67Q5002或ML67Q5003。
4.根据权利要求1所述能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述无线通信模块包括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。
5.根据权利要求1或4所述的能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述无线通信模块为nRF905、nRF2401、CC1100、CC2430、CC2420，所述无线通信模块的发射功率受微处理器控制。
6.根据权利要求1所述能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述电源与太阳能充电模块包括系统供电电源和为系统供电电源充电的太阳能电池板。
7.根据权利要求6所述的能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述系统供电电源采用可充电磷酸铁锂电池。
8.据根据权利要求1所述的能量自给的无线传感器网络节点，其特征在于，所述太阳追踪模块通过驱动垂直电机与水平电机实现太阳能电池板追踪太阳。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的能量自给无线网络传感器的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)接收数据包；
(2)终端程序推入一个接受数据包的任务；
(3)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，若是，则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，转至(4)；若否，则直接进入步骤(4)；
(4)等待接收数据包。
10.根据权利要求9所述的能量自给无线网络传感器的实现方法，其特征在于，步骤(3)中，则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具体包括为：
(3-1)推入加入本地信息和转发该数据包的任务；
(3-2)执行该转发数据包的任务；
(3-3)推入设定无线通信模块为接受状态的任务；
(3-4)设定无线通信模块为接受状态的任务执行。
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