CN102647474A - 一种环境自适应性无线传感器及信息采集发送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境自适应性无线传感器，属于传感器技术领域。所述传感器包括数据采集存储单元与节点管理单元，其中，所述数据采集存储单元，用于采集传感器数据并存储；所述节点管理单元，用于控制所述数据采集存储单元，获取所述传感器数据并通过无线发送。本发明还提供一种无线传感器数据采集发送方法。本发明通过在无线传感器中设置数据采集单元和节点管理单元，数据采集单元可以独立的完成传感器数据的采集和存储，节点管理单元用于控制数据采集单元和发送数据。通过对传感器数据采集和传感器控制的分开独立运行，有效的提高整体的任务处理能力，增大通信能力，提高网络吞吐率。

Description

一种环境自适应性无线传感器及信息采集发送方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种环境自适应性无线传感器及信息采集发送方法。

背景技术

随着技术的发展，现有的传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此这种网络可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。

近年来，恶劣环境监控是关系到国家安全及人民生活的重要领域。当前国际国内地震、矿难频发，如海地地震、山西矿难，灾后救援工作难度极高，在很大程度就是由于无法获取灾难现场信息所导致。由于传感器网络无人照料的特点，特别适合在此类环境监控中的数据采集工作。但是恶劣环境对节点的设计提出了很高的要求。

现阶段缺乏适用于恶劣环境的特种节点。恶劣环境中，可能瞬间产生大量的数据，当前节点单处理机必须繁忙地从数据处理模式切换到通信调度模式，频繁的切换，使得网络的吞吐率难以满足要求。并且由于该限制让当前节点在恶劣环境下，无法保障信息的可生存性。

如图1所示，现有的一种传感器网络节点的实现方式为：该传感器网络由电源管理模块、数据接口模块、传感器模块、主控模块、无线传输模块和存储模块组成。主控模块通过数据总线与无线传输模块、存储模块、传感器模块、数据接口模块相连，数据接口模块与电源管理模块相连。主控模块主要用于感知数据的处理和存储，以及感知数据的采集、无线收发、通讯组网、能量管理和电源管理等控制。无线传输模块采用单一的发射频率。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的传感器网络，由于恶劣环境中可能在瞬间产生大量的数据，当前节点单处理机必须繁忙地从数据处理模式切换到通信调度模式，频繁的切换，使得网络吞吐率难以满足这个要求。另外，恶劣环境中通信条件可能发生变化，单一的频率的通信信号，难以保障通信的联通。这两者的限制让当前节点在恶劣环境下，无法保障信息的可生存性。

发明内容

为了能够在恶劣环境下提供稳定可靠的传感器信息采集发送，解决现有技术中的传感器网络无法保障信息可生存性的问题，本发明实施例提供了一种环境自适应性无线传感器及信息采集发送方法。所述技术方案如下：

一种环境自适应性无线传感器，该传感器包括数据采集存储单元与节点管理单元，其中，

所述数据采集存储单元，用于采集传感器数据并存储；

所述节点管理单元，用于控制所述数据采集存储单元，获取所述传感器数据并通过无线发送。

所述数据采集存储单元进一步包括传感器子单元、从处理器子单元与FIFO存储子单元，其中，

所述传感器子单元，用于采集传感器数据；

所述从处理器子单元，用于对所述传感器数据进行计算处理；

所述FIFO存储子单元，用于存储所述传感器数据。

所述节点管理单元进一步包括主处理器子单元与无线传输子单元，其中，

所述主处理器子单元，用于控制所述从处理器子单元，接收所述FIFO存储子单元存储的传感器数据并发送给所述无线传输子单元；

所述无线传输子单元，用于通过无线方式发送所述传感器数据。

所述无线传输子单元中包括至少两个工作频率不同的无线收发设备；

所述主处理器子单元还用于根据设定或者外部环境的变化选择不同的无线收发设备发送所述传感器数据。

所述从处理器子单元根据所述主处理器子单元的指令，控制所述传感器子单元采用不同的采集方式采集传感器数据。

所述无线传感器还包括电源单元，用于为所述数据采集存储单元与节点管理单元提供电源。

一种无线传感器数据采集发送方法，所述方法包括：

数据采集存储单元采集传感器数据并进行存储；

节点管理单元获取所述传感器数据，通过无线发送。

所述数据采集存储单元采集传感器数据并进行存储，包括：

所述数据采集存储单元通过传感器子单元采集传感器数据，并通过从处理器子单元进行计算处理后，将所述传感器数据存储在FIFO存储子单元中。

所述节点管理单元获取所述传感器数据，通过无线发送，包括：

所述节点管理单元通过主处理器子单元控制所述从处理器子单元，并接受所述FIFO存储子单元存储的所述传感器数据，发送给无线传输子单元通过无线方式发送。

所述通过无线方式发送包括：

根据预先设定或者外部环境的变化，选择不同的无线收发设备通过不同的无线收发频率发送所述传感器数据。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在无线传感器中设置数据采集存储单元和节点管理单元，数据采集单元可以独立的完成传感器数据的采集和存储，节点管理单元用于控制数据采集单元和发送数据。通过对传感器数据采集和传感器控制的分开独立运行，有效的提高整体的任务处理能力，增大通信能力，提高网络吞吐率。同时，由于对数据采集和传感器控制的分开，使得传感器有了更大的应用范围，可用于各种恶劣环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中传感器结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的无线传感器结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的无线传感器中数据采集存储单元10结构示意图；

图4是本发明实施例3提供的无线传感器中节点管理单元20结构示意图；

图5是本发明实施例4提供的无线传感器数据采集发送方法原理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例1提供一种环境自适应性无线传感器，如图2所示，该传感器包括数据采集存储单元10与节点管理单元20，其中，

数据采集存储单元10，用于采集传感器数据并存储；

节点管理单元20，用于控制数据采集存储单元10，获取传感器数据并通过无线发送。

进一步的，该无线传感器还包括电源单元30，用于为数据采集存储单元10与节点管理单元20提供电源。

本发明实施例1提供的无线传感器，数据采集存储单元10中包括独立的处理器，可以独立运作，独立的完成传感器数据的采集和存储。节点管理单元20也包括独立的处理器，可以对数据采集存储单元10进行控制，发送控制信息和指令给数据采集存储单元10，控制数据采集存储单元10采用不同的采集方式进行传感器数据的采集。同时，节点管理单元20还承担着传感器数据无线发送的功能。这样两个单元独立的设置，各自包括独立的处理器，可以有效的缓解由于处理器的处理瓶颈造成传感器效率低下的问题，同时，双处理器本身就是互相作为备份，在一个处理器出现问题的时候，可以方便的切换为另一个来工作，不影响传感器的业务，有效的提高传感器的环境自适应性，可以在恶劣的环境下进行各种工作。

实施例2

如图3所示，上述实施例1提供的数据采集存储单元10进一步包括传感器子单元11、从处理器子单元12与FIFO存储子单元13，其中，

传感器子单元11，用于采集传感器数据；

从处理器子单元12，用于对传感器数据进行计算处理；

FIFO存储子单元13，用于存储所述传感器数据。

这里，传感器子单元11用来采集所需要的传感器数据(采集现场的数据)，并可以根据从处理器子单元12的控制，采用不同的方式进行传感器数据的采集。从处理器子单元12还用于对传感器子单元11采集的传感器数据进行计算处理(监测、控制现场的传感器采集数据，并对采集到得数据进行计算)，并发送给FIFO存储子单元13进行存储。这里的FIFO存储子单元13实际上是采用FIFO(First In First Out，先进先出)方式进行数据存储的存储器。

这里的从处理器子单元12可以接收节点管理单元20的指令，对传感器子单元11进行控制。整个数据采集存储单元10可以独立运作，完成传感器数据的采集和存储。

实施例3

如图4所示，上述两个实施例中的无线传感器中的节点管理单元20进一步包括主处理器子单元21与无线传输子单元22，其中，

主处理器子单元21，用于控制从处理器子单元12，接收FIFO存储子单元13存储的传感器数据并发送给无线传输子单元22；

无线传输子单元22，用于通过无线方式发送传感器数据。

这里，主处理器子单元21用于整个无线传感器的控制，所有对无线传感器的控制都通过主处理器子单元21来实现。同时，主处理器子单元21还用于控制从处理器子单元12，发送指令给从处理器子单元12，从处理器子单元12根据指令采用不同的方式进行传感器数据的采集。

这里的无线传输子单元22进一步可以包括至少两个工作频率不同的无线收发设备，例如，可以包括2.4GHz和433MHz两个通信频段的无线收发设备，主处理器子单元21还用于根据设定或者外部环境的变化选择不同的无线收发设备发送传感器数据，以适应不同的应用场合。

上述3个实施例中的无线传感器，包括两个独立的单元——数据采集存储单元10与节点管理单元20，两个单元独立运作，各自完成各自的工作。在数据采集存储单元10中包括从处理器子单元12，可以控制数据采集存储单元10独立的完成整个无线传感器的数据采集和存储工作。在节点管理单元20中包括主处理器子单元21，用于整个无线传感器的控制。这样，通过双处理器的设计，将无线传感器的数据采集和控制两方面的信息分开控制，以专用处理器来处理节点的内部管理和用专用处理器来处理传感器采集的数据，提高节点整体的任务处理能力。同时，可以使得节点避免频繁地从数据处理模式切换到通信调度模式，从而增大了节点的通信能力，使得网络的吞吐率得到提高。

进一步的，通过无线传输子单元22中多个无线通信设备的设置，使得整个无线传感器节点的通信能力大大增强。例如，无线传感器节点可以采用2.4GHz和433MHz两个通信频段，2.4GHz频率属于微波范围，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍物，在加上传感器节点的射频发射功率非常低，这就导致传感器节点的无线信号穿透障碍物的能力非常有限。这就导致在恶劣环境中，当环境变化时，单一的频率很难保证网络的联通性。传感器节点当发现用2.4GHz很难联通网络，于是改用433MHz建立网络，保证网络的连通性。

当然，这里无线传感器可以采用2.4GHz和433MHz两个通信频段，如果变换为其它通信频段，应用于其它场合，一样可以实现本发明实施例的功能。双处理器方法中，更换处理型号，对专用处理器在数据融合和数据转发方面的任务分配，进行替换，同样也在本发明实施例的范围之内。

实施例4

相应的，如图5所示，本发明实施例4还提供一种无线传感器数据采集发送方法，该方法包括如下步骤：

步骤100，数据采集存储单元采集传感器数据并进行存储。

这里的数据采集存储单元是无线传感器中的一个单元，可独立的采集相应的传感器数据。数据采集存储单元通过传感器子单元采集传感器数据，并通过从处理器子单元进行计算处理后，将传感器数据存储在FIFO存储子单元中。

步骤200，节点管理单元获取传感器数据，通过无线发送。

这里，节点管理单元通过主处理器子单元控制从处理器子单元，并接受FIFO存储子单元存储的传感器数据，发送给无线传输子单元通过无线方式发送。

主处理器子单元还可以根据预先设定或者外部环境的变化，选择不同的无线收发设备通过不同的无线收发频率发送传感器数据。

本方法中，通过无线传感器中的双处理器构架来解决了现有技术中传感器效率低下影响数据采集的问题，同时，还可以通过不同的无线收发频率来控制无线发送传感器数据的方式，提高了应用的场景适应性。

实施例5

本发明实施例5提供的无线传感器，数据采集存储单元中的传感器子单元由光传感器(传感器型号)U1及其外围电路组成，它的输出端口与从处理器单元的SPI总线端口相连。从处理器子单元由CC2430处理器U2及其外围电路构成，其数据输出端口与FIFO存储器单元的数据输入端口相连。FIFO存储子单元由IDT72V03双端口FIFO存储器U3及其外围电路组成，它的数据输出端口与节点管理及通信部件的输入端口相连。

节点管理单元中，主处理器子单元由CC2430处理器U4及其外围电路组成，其输出端口与无线传输子单元相连。无线传输子单元由两部分组成，一部分为由主处理器子单元CC2430处理器内嵌的CC2420无线通信芯片及天线组成，CC2420无线通信芯片的发射频率为2.4GHz，另一部分由CC1100射频芯片U5及其外围电路组成，其发射频率为433MHz。

从处理器子单元接收来自主处理器子单元的命令，从处理器子单元根据命令设置其采集数据的方式。主处理器子单元根据所实现的无线传感器网络协议完成对无线传感器网络节点的配置和管理。主处理器子单元根据自身节点的设定或者根据外界环境的变化选择无线发射的频率，即确定是用内嵌的CC2420芯片还是外接CC1100芯片作为无线传输子单元。主处理器子单元根据接收到得无线传感器网络控制报文的要求，通过无线传输子单元将FIFO存储子单元中的传感器数据发送出去。

实施例6

本发明实施例6提供的传感器子单元采用SHT71空气温湿度传感器U1及其外围电路构成。从处理器子单元选用CC2430处理器U2及其外围电路构成。FIFO存储子单元采用IDT72V03双端口FIFO存储器U3及其外围电路构成。U1的DATA引脚和SCK引脚分别和从处理器子单元的p2.4和p2.4引脚相连。U2的引脚p0.0至引脚p0.7分别与U3的D0至D7引脚相连。处理器U2的引脚11和引脚12分别与U3的引脚3和引脚1相连。

系统工作时，当从处理器子单元被唤醒后，从主处理器子单元接收采样的指令，从处理器子单元开始控制传感器子单元采集数据，将采集的数据进行计算处理后，将结果存储在FIFO存储子单元中。采样结束后重新进入休眠状态。

实施例7

本发明实施例7提供的主处理器子单元选用CC2430处理器U4及其外围电路构成。无线传输子单元采用CC1100无线射频芯片U5及其外围电路构成。U4的引脚p0.1至引脚p0.7分别于U3的引脚Q0至引脚Q7相连。U4的引脚8和引脚9分别和U3的引脚15和引脚21相连。U4的引脚1至引脚4分别于U5的引脚2、引脚20、引脚1、引脚7相连。U4的引脚32、引脚33、引脚34接外围天线电路。U5的引脚12和引脚13接外围天线电路。U4的引脚1、引脚2、引脚3、引脚5分别于U2的引脚13至引脚16相连。

处理器U4是无线传感器节点的核心，他控制着节点的所有活动。其工作原理是：系统上电后，处理器U4初始化，包括内部存储器和寄存器的初始化、I/O端口初始化、ZigBee协议栈初始化和应用程序初始化。初始化后，主处理器选择无线发射频率，即选择用主处理器子单元内嵌的CC2420芯片外接CC1100芯片作为无线传输子单元。主处理器设定无线传输子单元为接受模式，如果没有信号则处理器进入低功耗模式，如果有信号则接受、处理数据；主处理器根据接收到的指令进行相应的操作，即主处理器唤醒从处理器并向从处理器发送数据采集命令，然后主处理器定时接收来自FIFO存储器的数据，并将数据发送至无线传输子单元。发送完数据后，节点进入低功耗模式。

综上所述，本发明各个实施例通过在无线传感器中设置数据采集单元和节点管理单元，数据采集单元可以独立的完成传感器数据的采集和存储，节点管理单元用于控制数据采集单元和发送数据。通过对传感器数据采集和传感器控制的分开独立运行，有效的提高整体的任务处理能力，增大通信能力，提高网络吞吐率。同时，由于对数据采集和传感器控制的分开，使得传感器有了更大的应用范围，可用于各种恶劣环境中。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环境自适应性无线传感器，其特征在于，该传感器包括数据采集存储单元与节点管理单元，其中，

所述数据采集存储单元，用于采集传感器数据并存储；

所述节点管理单元，用于控制所述数据采集存储单元，获取所述传感器数据并通过无线发送。

2.如权利要求1所述的无线传感器，其特征在于，所述数据采集存储单元进一步包括传感器子单元、从处理器子单元与FIFO存储子单元，其中，

所述传感器子单元，用于采集传感器数据；

所述从处理器子单元，用于对所述传感器数据进行计算处理；

所述FIFO存储子单元，用于存储所述传感器数据。

3.如权利要求2所述的无线传感器，其特征在于，所述节点管理单元进一步包括主处理器子单元与无线传输子单元，其中，

所述主处理器子单元，用于控制所述从处理器子单元，接收所述FIFO存储子单元存储的传感器数据并发送给所述无线传输子单元；

所述无线传输子单元，用于通过无线方式发送所述传感器数据。

4.如权利要求3所述的无线传感器，其特征在于，所述无线传输子单元中包括至少两个工作频率不同的无线收发设备；

所述主处理器子单元还用于根据设定或者外部环境的变化选择不同的无线收发设备发送所述传感器数据。

5.如权利要求3所述的无线传感器，其特征在于，所述从处理器子单元根据所述主处理器子单元的指令，控制所述传感器子单元采用不同的采集方式采集传感器数据。

6.如权利要求1～5任一所述的无线传感器，其特征在于，所述无线传感器还包括电源单元，用于为所述数据采集存储单元与节点管理单元提供电源。

7.一种无线传感器数据采集发送方法，其特征在于，所述方法包括：

数据采集存储单元采集传感器数据并进行存储；

节点管理单元获取所述传感器数据，通过无线发送。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据采集存储单元采集传感器数据并进行存储，包括：

所述数据采集存储单元通过传感器子单元采集传感器数据，并通过从处理器子单元进行计算处理后，将所述传感器数据存储在FIFO存储子单元中。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述节点管理单元获取所述传感器数据，通过无线发送，包括：

所述节点管理单元通过主处理器子单元控制所述从处理器子单元，并接受所述FIFO存储子单元存储的所述传感器数据，发送给无线传输子单元通过无线方式发送。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过无线方式发送包括：

根据预先设定或者外部环境的变化，选择不同的无线收发设备通过不同的无线收发频率发送所述传感器数据。

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