CN102457932A - 低功耗无线传感器网络节点 - Google Patents

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Abstract

一种低功耗无线传感器网络节点，节点数目大大减少，适于在特殊环境下实现区域内信号监测，无线传感器网络转可以解决支节点定位、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现。无线传感器网络节点的基本组成包括传感探测单元、处理控制单元、无线通信单元以及供电单元；线传感器网络节点软件采用C语言编程，设计中对有效数据进行打包，格式为前导码、地址、有效数据载荷、校验码，针对nRF403芯片，支持UART方式下使用0x55FF作为前导码；地址作为不同应答点的标识，有效数据载荷则包含满足上层设计协议格式的数据包，数据包末尾增加检验码可以验证数据的有效性，数据封装与处理全部由处理控制单元实现。

Description

低功耗无线传感器网络节点
技术领域：
一种采用MSP430F149处理器和无线收发模块设计的无线传感器网络节点。
背景技术：
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成、通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络。无线传感器网络的1个重要特点是摆脱了传统传感器网络的连线限制，解决了成本问题，得到了大量的应用，但并未形成统一的标准。现行的基于Zigbee的无线传感器网络技术虽然实现了大范围分布式数据信息的采集、传输与综合处理，但是由于传感器节点功耗偏高，且其基站建设成本较高，限制了其进一步的应用和发展。无线传感器节点是一次性的，要求节点低功耗。
发明内容：
本发明就是针对以上问题，设计一种具有速度快、实时性好、可靠性高以及功耗低等特点，能够满足互相关流量在线测量的要求的网络节点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案，无线传感器网络节点的基本组成包括以下4个基本单元：传感探测单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理控制单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、无线通信单元(由无线通信模块组成)以及供电单元；传感探测单元由传感器采集监测区域内待测对象的信息，处理控制单元实现数据的分析、处理和存储等功能，无线通信单元负责节点间通信，供电单元通常选取小型化、高容量的电池，以确保节点的长寿命和微型化；无线传感器网络节点软件采用C语言编程，考虑到通信的可靠性、数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范，设计中对有效数据进行打包，格式为前导码、地址、有效数据载荷、校验码，针对nRF403芯片，支持UART方式下使用0x55FF(十六进制)作为前导码；地址作为不同应答点的标识，有效数据载荷则包含满足上层设计协议格式的数据包，数据包末尾增加检验码可以验证数据的有效性，数据封装与处理全部由处理控制单元实现。
本发明有益效果：
节点数目大大减少，适于在特殊环境下实现区域内信号监测，伴随着无线自组织网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出，无线传感器网络转可以解决支节点定位、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1无线传感器网络节点组成框图。
图2节点测试流程图。
具体实施方式
无线传感器网络节点的基本组成包括以下4个基本单元：传感探测单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理控制单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、无线通信单元(由无线通信模块组成)以及供电单元；传感探测单元由传感器采集监测区域内待测对象的信息，处理控制单元实现数据的分析、处理和存储等功能，无线通信单元负责节点间通信，供电单元通常选取小型化、高容量的电池，以确保节点的长寿命和微型化；实现超低功耗即可延长节点和网络的寿命；无线传感器网络节点软件采用C语言编程，考虑到通信的可靠性、数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范，设计中对有效数据进行打包，格式为前导码、地址、有效数据载荷、校验码，针对nRF403芯片，支持UART方式下使用0x55FF(十六进制)作为前导码；地址作为不同应答点的标识，有效数据载荷则包含满足上层设计协议格式的数据包，数据包末尾增加检验码可以验证数据的有效性，数据封装与处理全部由处理控制单元实现。
节点的能量消耗有3个方面：传感器数据采集、处理控制单元的数据存储与处理和无线通信单元的数据接收/发射，其中能量消耗最大的是在射频信号发射过程中，因此，必须合理地切换芯片收发，并设置节点休眠与唤醒状态，以最大限度降低能量消耗。
对应nRF403使用的415MHz频段，在组网设计中通信方式采用TDMA(时分复用)方式：sink点分时段查询网络中节点，当信道处于阻塞状态则采用随机退避机制，等待信道处于空闲状态再进行数据传输，各节点在通信过程中必须避免长时间占用信道；为实现网络节点的可靠性和高效性，关键是设计合理的通信协议；SPIN(Sensor Protocolfor Information via Negotiation)是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制避免数据传输过程中的“内爆”和“重叠”问题，传感器各节点只有符合相应的请求时，才有目的地发送数据信息；SPIN协议中有3种类型的消息：ADV广播数据发送、REQ请求数据接收和DATA数据封装，自组织无线传感器网络的网络拓扑可分为3种：(1)基于簇(Cluster)的分层结构，簇头就是分布式处理中心，收集簇成员数据并完成数据处理和融合，最后将数据由其它簇头多跳转发或直接传回sink点；(2)基于网(Mesh)的平面结构，在这种结构下传感器网络连成一张网，临近节点直接通信，在个别链路和传感器节点发生失效时不会引起网络分离；(3)基于链(Chain)的线结构，在这种结构下传感器节点被串联在1条或多条链上，链尾与用户节点相连，由于链型结构更易于在网络初始化中实现，因此，本设计中采用该种网络拓扑。

Claims (3)

1.一种低功耗无线传感器网络节点，无线传感器网络节点的基本组成包括以下4个基本单元：传感探测单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理控制单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、无线通信单元(由无线通信模块组成)以及供电单元；传感探测单元由传感器采集监测区域内待测对象的信息，处理控制单元实现数据的分析、处理和存储等功能，无线通信单元负责节点间通信，供电单元通常选取小型化、高容量的电池，以确保节点的长寿命和微型化；无线传感器网络节点软件采用C语言编程，考虑到通信的可靠性、数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范，设计中对有效数据进行打包，格式为前导码、地址、有效数据载荷、校验码，针对nRF403芯片，支持UART方式下使用0x55FF(十六进制)作为前导码；地址作为不同应答点的标识，有效数据载荷则包含满足上层设计协议格式的数据包，数据包末尾增加检验码可以验证数据的有效性，数据封装与处理全部由处理控制单元实现。
2.根据权利要求1所述一种低功耗无线传感器网络节点，其特征在于节点的能量消耗有3个方面：传感器数据采集、处理控制单元的数据存储与处理和无线通信单元的数据接收/发射，其中能量消耗最大的是在射频信号发射过程中，因此，必须合理地切换芯片收发，并设置节点休眠与唤醒状态，以最大限度降低能量消耗。
3.根据权利要求1所述一种低功耗无线传感器网络节点，其特征在于对应nRF403使用的415MHz频段，在组网设计中通信方式采用TDMA(时分复用)方式：sink点分时段查询网络中节点，当信道处于阻塞状态则采用随机退避机制，等待信道处于空闲状态再进行数据传输，各节点在通信过程中必须避免长时间占用信道；为实现网络节点的可靠性和高效性，关键是设计合理的通信协议；SPIN(Sensor Protocolfor Information via Negotiation)是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制避免数据传输过程中的“内爆”和“重叠”问题，传感器各节点只有符合相应的请求时，才有目的地发送数据信息；SPIN协议中有3种类型的消息：ADV广播数据发送、REQ请求数据接收和DATA数据封装，自组织无线传感器网络的网络拓扑可分为3种：(1)基于簇(Cluster)的分层结构，簇头就是分布式处理中心，收集簇成员数据并完成数据处理和融合，最后将数据由其它簇头多跳转发或直接传回sink点；(2)基于网(Mesh)的平面结构，在这种结构下传感器网络连成一张网，临近节点直接通信，在个别链路和传感器节点发生失效时不会引起网络分离；(3)基于链(Chain)的线结构，在这种结构下传感器节点被串联在1条或多条链上，链尾与用户节点相连，由于链型结构更易于在网络初始化中实现，因此，本设计中采用该种网络拓扑。
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