CN102547940A - 一种适于低温环境的无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

一种适于低温环境的无线传感器网络节点，涉及无线传感器网络节点，本发明的目的是为解决现有无线传感器网络节点工作寿命较短、无操作系统、对数据处理能力有限、无法对节点各部分状态进行管理的问题。一种适于低温环境的无线传感器网络节点，它包括供电单元、主控制单元、传感器模块、无线通信模块、外部接口单元、内部接口单元和数据存储单元，所述的主控制单元的处理器能够运行操作系统；所述的供电单元还包括电源管理芯片、稳压芯片和N组电池组，主控制单元通过电源管理芯片对N组电池组进行管理，控制N组电池组交替供电，所述稳压芯片用于稳定电池组的输出电压，所述N为大于1的整数。本发明用于低温环境下信息的采集、检测和处理。

Description

一种适于低温环境的无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点，具体涉及一种工作于低温环境的无线传感器网络节点。

背景技术

自二十一世纪初期，关于无线传感器网络的研究便引起了学术界、行业界的极大关注。这种无线传感器网络系统可以实时监测、感知或采集网络分布区域内的各种环境的信息或监测对象的信息，并将所述信息进行处理，获得详尽而准确的处理信息，传送给用户。无线传感器网络可广泛地应用于国防军事、工业控制、反恐抗灾、环境监测、城市管理、远程控制、智能家居等领域。

无线传感器网络由若干个分立节点组成，尤其是在低温地区，无线传感器网络的应用意义重大，如对林区的环境监测等。传统的无线传感器网络节点大都采用蓄电池供电，可用于维持该节点正常工作的电量非常有限，尤其是当无线传感器网络节点处于低温环境时，对电池寿命影响严重，电子元件耗能也随之增加，降低节点使用寿命，从而影响无线传感器网络的性能。因而无线传感器网络节点的能耗问题成为阻碍无线传感器网络在低温地区广泛应用的关键因素。

现有节点工作寿命较短，采用无操作系统的处理器作为主控芯片，对数据处理能力有限，无法对节点各部分状态进行管理。

发明内容

本发明的目的是为解决现有无线传感器网络节点工作寿命较短、无操作系统、对数据处理能力有限、无法对节点各部分状态进行管理这一问题，提供了一种适于低温环境的无线传感器网络节点。

一种适于低温环境的无线传感器网络节点，它包括供电单元、主控制单元、传感器模块、无线通信模块和数据存储单元，

所述的供电单元包括电源管理芯片和N组电池组，每组电池组由多节锂电池串联或一节锂电池组成，所述N为大于1的整数；

所述的主控制单元的处理器运行有操作系统，所述的主控制单元用于根据无线通信模块发送来的信号对传感器模块发送的信号进行接收、处理和发送；所述主控制单元还用于通过电源管理芯片对N组电池组进行管理，控制N组电池组交替对主控制单元、传感器模块、无线通信模块和数据存储单元进行供电；

所述的传感器模块用于采集数据，并将采集到的数据递交给主控制单元；

所述的无线通信模块用于与基站和/或其他无线传感器网络节点的无线通信模块进行通信，无线通信模块将从基站和/或其他无线传感器网络节点接收到的信号传输给主控制单元进行处理，无线通信模块还将从主控制单元处理后的信号发送给基站和/或其他无线传感器网络节点；

所述的数据存储单元用于存储主控制单元接收或处理后的数据。

进一步地，所述的供电单元还包括稳压芯片，所述N组电池组的电压输出端通过电源管理芯片与稳压芯片的电压输入端相连，所述稳压芯片用于稳定电池组的输出电压。

进一步地，所述操作系统为嵌入式操作系统TinyOS、WindowsCE、UcLinux、VxWorks、Linux、UC/OS中的一种。

进一步地，所述电源管理芯片采用的节能调度策略为在处理器操作系统层使用动态电源管理和动态电压/频率调节相结合的双效节能的方式管理节点工作状态，所述工作状态为正常状态、空闲状态、休眠状态和深度睡眠状态。

进一步地，一种适于低温环境的无线传感器网络节点，还包括外部接口单元和内部接口单元，

所述的外部接口单元用于与计算机进行通信；

所述的内部接口单元用于与传感器模块进行通信；

供电单元对外部接口单元和内部接口单元供电。

进一步地，所述的外部接口单元包括USB Host、USB Slave、通用串行接口和Jtag接口中的一种或多种。

进一步地，所述的供电单元、主控制单元、传感器模块、无线通信模块、外部接口单元、内部接口单元和数据存储单元中使用到的芯片和电子元件采用贴片封装，所述芯片和电子元件的最低工作温度不超过-30～50℃的范围。

进一步地，一种适于低温环境的无线传感器网络节点，还包括电源适配器，所述电源适配器将交流市电转换成5V的直流电源，用于为节点供电。

进一步地，一种适于低温环境的无线传感器网络节点，在正常状态下，当所述节点无任务时间超过第一阈值后，所述节点进入空闲状态；

在正常状态下，节点处理任务，当所述节点无任务时间超过第一阈值后，所述节点进入空闲状态；

在空闲状态下，节点功耗用于外部时钟的频率，当有任务到来时，则节点返回正常状态处理任务；否则，当节点空闲时间超过第二阈值后，所述节点进入休眠状态；

在休眠状态下，节点断开主控制单元的处理器内核时钟，只提供时钟给外部设备，无线通信模块进入省电模式，若有中断产生有任务到来，则节点进入正常状态处理任务；否则，当节点休眠时间超过第三阈值后，所述节点进入深度睡眠状态；

在深度睡眠状态下，节点利用实时时钟作为唤醒中断源，无线通信模块进入休眠模式，仅实时时钟唤醒模块及数据存储单元耗电，若节点被实时时钟唤醒后有任务，则返回正常状态处理任务，若节点被实时时钟唤醒后无任务，则节点继续深度睡眠状态。

进一步地，所述在深度睡眠状态下，节点利用实时时钟作为唤醒中断源，如果节点连续三次被唤醒后无任务，则增加实时时钟的深度睡眠时间，反之，所述节点若连续三次被唤醒后任务量较大，则减少实时时钟的深度睡眠时间。

本发明所述的供电单元采用多组电池组交替为节点供电，当前供电电池组由主控制单元的处理器控制选择，所述的每组电池组由几节锂电池串联或单节锂电池构成，利用稳压芯片确保节点获得稳定的工作电压。

本发明的优点：

随着需要检测信息量的增加，未来的无线传感器网络节点会向智能化、高数据处理能力、低能耗的方向发展。在延长节点寿命的同时，实现在节点处理器上运行操作系统，采用动态能耗管理策略调整节点工作状态，这将对无线传感器网络在低温地区的广泛应用具有革命性的意义，而且也符合建设低碳社会，实现绿色计算的要求，具有巨大的实用价值和经济价值。

附图说明

图1是具体实施方式一中所述供电单元与主控制单元的控制示意图；图2是具体实施方式二中所述供电单元与主控制单元的控制示意图；图3是具体实施方式四中所述节点工作状态转换示意图；图4是无线传感器网络节点的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式供电单元1、主控制单元2、传感器模块、无线通信模块和数据存储单元，

所述的供电单元1包括电源管理芯片1-1和N组电池组1-2，每组电池组1-2由多节锂电池串联或一节锂电池组成，所述N为大于1的整数；

所述的主控制单元2的处理器运行有操作系统，所述的主控制单元2用于根据无线通信模块发送来的信号对传感器模块发送的信号进行接收、处理和发送；所述主控制单元2还用于通过电源管理芯片1-1对N组电池组1-2进行管理，控制N组电池组1-2交替对主控制单元2、传感器模块、无线通信模块和数据存储单元进行供电；

所述的传感器模块用于采集数据，并将采集到的数据递交给主控制单元2：

所述的无线通信模块用于与基站和/或其他无线传感器网络节点的无线通信模块进行通信，无线通信模块将从基站和/或其他无线传感器网络节点接收到的信号传输给主控制单元2进行处理，无线通信模块还将从主控制单元2处理后的信号发送给基站和/或其他无线传感器网络节点；

所述的数据存储单元用于存储主控制单元2接收或处理后的数据。

本实施方式所述主控制单元2的处理器采用功耗低、处理速度快、集成度高、并具有MMU(Memory Management Unit)的ARM9微处理器。所述处理器上运行有操作系统，相较于无操作系统的嵌入式终端，本实施方式所述的带有操作系统的终端具有便于程序的开发、适于二次开发能力、更好的支持传输协议和满足良好的实时性要求的优势。

本实施方式所述无线通信模块采用适合于电池供电的新型无线收发芯片，即射频芯片SX1212实现，应用射频芯片SX1212能够实时设置修改串口速率、发射功率和射频速率的参数值；所述射频芯片SX121在接收状态下接收电流最大值为3.2mA，理论上一节3.6V/3.6Ah的锂亚电池可以工作十年以上；所述无线通信模块具有四种工作模式可供选择，分别为正常模式、唤醒模式、省电模式和休眠模式；另外，采用本实施方式所述的射频芯片SX121的无线通信模块传输距离远，进而铺设单位范围的无线传感器网络所需要的节点个数少，节约成本。

本实施方式所述的供电单元1采用多组电池组1-2交替为节点供电，当前供电电池组1-2由主控制单元2的处理器控制选择，所述的每组电池组1-2由几节锂电池串联或单节锂电池构成。

本实施方式所述的节点在野外工作时，由电池组1-2供电，采用电源管理芯片1-1，在多组电池组1-2切换时不会因切换时间久导致主控制模块的重启，处理器通过控制引脚选择为节点供电的电池组1-2。

低温环境对电池寿命影响非常严重，同时一些电子元件耗能也随温度的下降而增加。众所周知，电池持续不间断供电与间歇式供电相比，间歇式供电要比持续不间断供电，电池持续时间要长很多，减少了更换电池所耗费人力物力，具有巨大经济效益。

另外，在本实施方式中，当N等于2时，即选择两组电池组1-2交替为无线传感器网络节点供电，当供电电池组1-2电压相同时，同时为负载供电，当两组电池组1-2压差大于一定阈值时，选择电压较高电池组1-2为负载供电。采用耐低温的两组电池组1-2交替供电，能够延长所述节点的一次性使用寿命，所述的电池组1-2的耐低温范围为-30℃-60℃。电池持续供电导致电解液发热从而更快速的电解，导致比间歇性供电使用时间要短，因此，理论上两组电池交替供电的节点寿命理论上将是单纯利用一组电池供电的两倍以上。

基于相同原理，本实施方式所述的节点中采用3组、4组或更多组的电池组1-2交替供电时，节点寿命理论上相应的将是单纯利用一组电池供电的三倍、四倍或更多倍以上。

随着需要检测信息量的增加，未来的无线传感器网络节点会向智能化、高数据处理能力、低能耗的方向发展。在延长节点寿命的同时，实现在节点处理器上运行操作系统，这将对无线传感器网络在低温地区的广泛应用具有革命性的意义，而且也符合建设低碳社会，实现绿色计算的要求，具有巨大的实用价值和经济价值。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述的供电单元1还包括稳压芯片1-3，所述N组电池组1-2的电压输出端通过电源管理芯片1-1与稳压芯片1-3的电压输入端相连，所述稳压芯片1-3用于稳定电池组1-2的输出电压。

本实施方式中，每组电池组1-2的输出电压不低于5V，利用稳压芯片1-3确保节点获得稳定的工作电压。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述操作系统为嵌入式操作系统TinyOS、WindowsCE、UcLinux、VxWorks、Linux、UC/OS中的一种。

本实施方式所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点可以选择支持多种体系结构、便于移植、应用程序开发简单、开源的Linux嵌入式操作系统实现，采用所述Linux嵌入式操作系统具有系统稳定、免费、安全、网络功能强大的优势。

具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式二的不同之处在于，所述电源管理芯片1-1采用的节能调度策略为在处理器操作系统层使用动态电源管理和动态电压/频率调节相结合的双效节能的方式管理节点工作状态，所述工作状态为正常状态、空闲状态、休眠状态和深度睡眠状态。

在正常状态下，节点处理任务，当所述节点无任务时间超过第一阈值后，所述节点进入空闲状态；

在空闲状态下，节点功耗用于外部时钟的频率，当有任务到来时，则节点返回正常状态处理任务；否则，当节点空闲时间超过第二阈值后，所述节点进入休眠状态；

在休眠状态下，节点断开主控制单元2的处理器内核时钟，只提供时钟给外部设备，无线通信模块进入省电模式，若有中断产生有任务到来，则节点进入正常状态处理任务；否则，当节点休眠时间超过第三阈值后，所述节点进入深度睡眠状态；

在深度睡眠状态下，节点利用实时时钟作为唤醒中断源，无线通信模块进入休眠模式，仅实时时钟唤醒模块及数据存储单元耗电，若节点被实时时钟唤醒后有任务，则返回正常状态处理任务，若节点被实时时钟唤醒后无任务，则节点继续深度睡眠状态。

本实施方式中，所述的节点开机后即进行任务处理，在正常状态下，根据任务量的变化动态设置工作电压及频率。如此便将动态电压/频率调节纳入动态电源管理策略中。当所述节点处于空闲状态，排除因内部锁相环产生的功耗，其功耗只取决于外部时钟的频率。当所述节点处于休眠状态，断开处理器内核时钟，只提供时钟给外设，外部无线通信模块进入省电模式，此模式下减少了因处理器内核产生的功耗及无线通信模块处于正常模式的功耗。当节点处于深度睡眠状态，仅实时时钟唤醒模块及数据存储单元耗电，无线通信模块进入休眠模式耗电量达到最低，此时总耗电量是正常状态下的总耗电量的五分之一或者更低。

因为节点需要处理周期性任务，所以需要定时唤醒，本实施方式所述节点利用实时时钟定时作为睡眠模式的唤醒中断源。如果节点连续三次唤醒后无任务，则增加实时时钟的深度睡眠时间；反之，如果节点连续三次唤醒后任务量较大，则减少实时时钟的深度睡眠时间，这样就可以根据节点任务量多少动态调节节点睡眠时间。

本实施方式所述的节点根据任务及负载状态实现工作状态的动态转换。所述节点的工作状态由无线通信模块的工作模式和带操作系统的处理器的电源模式结合设计，由于节点的工作状态的频繁切换将导致功耗大量浪费，而单一的工作状态又无法达到节能的目的，从系统整体节能角度考虑，将所述的节点的工作状态设定为正常状态、空闲状态、休眠状态和深度睡眠状态，所述的四个工作状态间能实现动态相互转换。

本实施方式中，所述动态电源管理用于当节点长期处于空闲状态时，调整处理器的工作状态；所述动态电压/频率调节用于在系统休眠状态下当探测到的节点的计算负载下降时，降低处理器的处理能力。

节点能耗管理使用由两种嵌入式终端最有效的动态电压/频率调节、动态电源管理结合后的双效节能调度算法。在节点处于正常状态时，主要应用动态电压/频率调节调度策略，基于负载的状态动态调节供电电压和频率使其满足运行需求，从而在实时性和能耗之间取得平衡。同时，利用改进型动态电源管理超时策略减少能量消耗，所述的改进型动态电源管理超时策略具体为，动态设定超时阈值，当发现设定的超时阈值引起过多的工作状态切换时，则增大超时阈值；若工作状态切换的频率在系统允许的范围内，则减小超时阈值。

目前将嵌入式移动终端常用的动态能耗管理策略经改良后应用到无线传感器节点的能耗管理上，采用动态能耗管理策略调整节点的工作状态，将对延长节点寿命意义重大，同时对无线传感器网络在低温地区的广泛应用具有革命性的意义。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括外部接口单元和内部接口单元，所述的外部接口单元用于与计算机进行通信；所述的内部接口单元用于与传感器模块进行通信；供电单元1对外部接口单元和内部接口单元供电。

本实施方式所述的内部接口单元包括通用输入输出端口，用于为传感器提供接口。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式五的不同之处在于，所述的外部接口单元包括USB Host、USB Slave、通用串行接口和Jtag接口中的一种或多种。

本实施方式所述的外部接口单元具备丰富的接口资源，所述USB Host用于连接其他带有USB接口的外部设备并从该外部设备获得所需的数据；所述USB Slave与上位机相连时，用于接收上位机发送的指令并将上位机所需的数据返还给上位机；所述通用串行接口采用串行通信协议，用于与上位机通信；所述Jtag接口用于下载程序和单步调试。

具体实施方式七：本实施方式与实施方式六的不同之处在于，所述的供电单元1、主控制单元2、传感器模块、无线通信模块、外部接口单元、内部接口单元和数据存储单元中使用到的芯片和电子元件采用贴片封装，所述芯片和电子元件的最低工作温度不超过-30～50℃的范围。

本实施方式中，所述芯片和电子元件都选择CMOS工艺的的芯片，这样既能满足低功耗又能达到高集成度的要求。所述芯片和电子元件的正常工作温度范围是，最低工作温度达到-30℃，最高工作温度达到50℃。

具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括电源适配器，所述电源适配器将交流市电转换成5V的直流电源，用于为节点供电。

本实施方式所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，还配置有一个电源适配器，所述电源适配器将标准220V的交流市电转换成5V的直流电源，为所述节点的各个模块供电，包括主控制单元2、传感器模块、无线通信模块、外部接口单元、内部接口单元和数据存储单元。

本实施方式所述的电源适配器用于在开发调试阶段对所述节点供电，还用于野外工作时电源外接方便的情况下，对所述节点供电。

Claims (10)

1.一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：它包括供电单元(1)、主控制单元(2)、传感器模块、无线通信模块和数据存储单元，

所述的供电单元(1)包括电源管理芯片(1-1)和N组电池组(1-2)，每组电池组(1-2)由多节锂电池串联或一节锂电池组成，所述N为大于1的整数；

所述的主控制单元(2)的处理器运行有操作系统，所述的主控制单元(2)用于根据无线通信模块发送来的信号对传感器模块发送的信号进行接收、处理和发送；所述主控制单元(2)还用于通过电源管理芯片(1-1)对N组电池组(1-2)进行管理，控制N组电池组(1-2)交替对主控制单元(2)、传感器模块、无线通信模块和数据存储单元进行供电；

所述的传感器模块用于采集数据，并将采集到的数据递交给主控制单元(2)；

所述的无线通信模块用于与基站和/或其他无线传感器网络节点的无线通信模块进行通信，无线通信模块将从基站和/或其他无线传感器网络节点接收到的信号传输给主控制单元(2)进行处理，无线通信模块还将从主控制单元(2)处理后的信号发送给基站和/或其他无线传感器网络节点；

所述的数据存储单元用于存储主控制单元(2)接收或处理后的数据。

2.根据权利要求1所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

所述的供电单元(1)还包括稳压芯片(1-3)，所述N组电池组(1-2)的电压输出端通过电源管理芯片(1-1)与稳压芯片(1-3)的电压输入端相连，所述稳压芯片(1-3)用于稳定电池组(1-2)的输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

所述操作系统为嵌入式操作系统TinyOS、WindowsCE、UcLinux、VxWorks、Linux、UC/OS中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

所述电源管理芯片(1-1)采用的节能调度策略为在处理器操作系统层使用动态电源管理和动态电压/频率调节相结合的双效节能的方式管理节点工作状态，所述工作状态为正常状态、空闲状态、休眠状态和深度睡眠状态。

5.根据权利要求1所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：它还包括外部接口单元和内部接口单元，

所述的外部接口单元用于与计算机进行通信；

所述的内部接口单元用于与传感器模块进行通信；

供电单元(1)对外部接口单元和内部接口单元供电。

6.根据权利要求5所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

所述的外部接口单元包括USB Host、USB Slave、通用串行接口和Jtag接口中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

所述的供电单元(1)、主控制单元(2)、传感器模块、无线通信模块、外部接口单元、内部接口单元和数据存储单元中使用到的芯片和电子元件采用贴片封装，所述芯片和电子元件的最低工作温度达到-30℃。

8.根据权利要求1所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

它还包括电源适配器，所述电源适配器将交流市电转换成5V的直流电源，用于为节点供电。

9.根据权利要求4所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

在正常状态下，节点处理任务，当所述节点无任务时间超过第一阈值后，所述节点进入空闲状态；

在空闲状态下，节点功耗用于外部时钟的频率，当有任务到来时，则节点返回正常状态处理任务；否则，当节点空闲时间超过第二阈值后，所述节点进入休眠状态；

在休眠状态下，节点断开主控制单元(2)的处理器内核时钟，只提供时钟给外部设备，无线通信模块进入省电模式，若有中断产生有任务到来，则节点进入正常状态处理任务；否则，当节点休眠时间超过第三阈值后，所述节点进入深度睡眠状态；

在深度睡眠状态下，节点利用实时时钟作为唤醒中断源，无线通信模块进入休眠模式，仅实时时钟唤醒模块及数据存储单元耗电，若节点被实时时钟唤醒后有任务，则返回正常状态处理任务，若节点被实时时钟唤醒后无任务，则节点继续深度睡眠状态。

10.根据权利要求9所述的一种适于低温环境的无线传感器网络节点，其特征在于：

所述在深度睡眠状态下，节点利用实时时钟作为唤醒中断源，如果节点连续三次被唤醒后无任务，则增加实时时钟的深度睡眠时间，反之，所述节点若连续三次被唤醒后任务量较大，则减少实时时钟的深度睡眠时间。

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