CN103024881A

CN103024881A - 用于无线传感器网络的节点

Info

Publication number: CN103024881A
Application number: CN2012105066010A
Authority: CN
Inventors: 刘卓; 吴岳松; 朱伟锋; 李莉丽; 刘会; 蔡华杰; 童垚
Original assignee: China Ship Development and Design Centre
Current assignee: China Ship Development and Design Centre
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感器网络的节点，包括数据处理单元、通信单元、传感器板和供电单元，该网络节点还包括传感器板插槽，用于连接传感器板；数据处理单元包括多个时钟寄存器和外设寄存器，为该节点提供三套时钟，三套时钟包括为数据处理单元的低速外围模块提供时钟信号的辅助时钟，为数据处理单元提供时钟信号的系统主时钟，以及为数据处理单元的高速外围模块提供时钟信号的子系统时钟；数据处理单元还用于通过设置寄存器的控制位改变节点的工作模式，工作模式包括活动模式和多个低功耗模式。本发明的用于无线传感器网络的节点功耗较低、扩展性强。

Description

用于无线传感器网络的节点

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中的节点，尤其涉及一种功耗低、扩展性强的用于无线传感器网络的节点。

背景技术

无线传感器网络被认为是21世纪最重要的信息技术之一，它将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。无线传感器网络由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成，借助于节点中内置的形式多样的传感器探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多的物理量。在通信方式上，虽然可以采用无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合无线传感器网络。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途，其研究、开发和应用关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，近年来在国际上引起了广泛的关注。

可以说无线传感器网络是在特定应用背景下，以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合，而无线传感器节点是为无线传感器网络特别设计的微型计算机系统。由于应用的特殊性，在传感器节点的设计中，需要考虑很多的因素。

1.低功耗

由于传感器节点的体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，因此低功耗成为最基本的要求。

2.小型化

无线传感器节点应该在体积上足够小，保证对目标系统本身的特性不会造成影响，或者所造成的影响可忽略不计。

3.扩展性

无线传感器节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件（如其它类型的传感器）时可以在现有节点上直接添加，而不需要重新开发新的节点。节点可以拆分成多个组件，组件之间通过标准接口自由组合。

另外扩展性还体现在可以方便的对无线传感器节点中的软件进行是升级。

相对于传统无线网络节点,无线传感器网络节点还具有通信能力有限的技术特点，传感器网络的通信带宽较窄，节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米。一般要求通信成本低、能耗低、支持多跳Zigbee协议。

4.低成本

由于无线传感器网络节点低功耗和小型化的限制，在实际应用中，往往需要在其工作区域大范围高密度的布置节点，因此无线传感器节点对其成本有比较严格的要求。

现有技术中的无线传感器网络节点的功耗较大，需要经常更换电池，另外且扩展性不强，在需要添加新的硬件部件时，需要重新开发新的节点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无线传感器网络节点功耗大、扩展性不强的缺陷，提供一种功耗较低、扩展性强的无线传感器网络节点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种用于无线传感器网络的节点，包括数据处理单元、通信单元、传感器板和供电单元，所述传感器板采集数据，并发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元对接收的数据进行处理并通过所述通信单元发送给其他网络节点，所述供电单元为整个节点提供能量，该网络节点还包括传感器板插槽，用于连接传感器板；

所述数据处理单元包括多个时钟寄存器和外设寄存器，为该节点提供三套时钟，所述三套时钟包括为所述数据处理单元的低速外围模块提供时钟信号的辅助时钟，为所述数据处理单元提供时钟信号的系统主时钟，以及为所述数据处理单元的高速外围模块提供时钟信号的子系统时钟；

所述数据处理单元还用于通过设置寄存器的控制位改变节点的工作模式，所述工作模式包括活动模式和多个低功耗模式。

本发明所述的用于无线传感器网络的节点中，所述数据处理单元为MSP430系列混合信号处理器。

本发明所述的用于无线传感器网络的节点中，所述通信单元为芯片CC2420。

本发明所述的用于无线传感器网络的节点中，所述供电单元包括2节AA电池和稳压电路。

本发明所述的用于无线传感器网络的节点中，所述传感器板插槽为16针插槽。

本发明产生的有益效果是：本发明的用于无线传感器网络的节点设有传感器板插槽，可连接扩展的传感器板，在需要更换传感器时只需要更换传感器板，而不需要重新开发节点。该网络节点的数据处理单元通过设置寄存器的控制位改变节点的工作模式，包括活动模式和多个低功耗模式，保证了传感器节点的低功耗特性，能够适合无线传感器网络的应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例用于无线传感器网络的节点的结构框图；

图2为本发明实施例用于无线传感器网络的节点数据处理单元的电路图；

图3为本发明实施例用于无线传感器网络的节点中通信单元的电路图；

图4为本发明实施例用于无线传感器网络的节点传感器板插槽接口图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例用于无线传感器网络的节点，包括数据处理单元20、通信单元30、传感器板10和供电单元40，传感器板10采集数据，并发送给数据处理单元20，数据处理单元20对接收的数据进行处理并通过通信单元30发送给其他网络节点，通信单元30主要用于各个节点之间的信息交换，通过信息的交换，节点才能以自组织的方式组网；供电单元40为整个节点提供能量，如为节点上的低电压元器件提供稳定的电源。

该网络节点还包括传感器板插槽50，用于连接传感器板10，尤其是用于连接扩展的传感器板10；本发明的一个实施例中，传感器板插槽为16针插槽。传感器板插槽50的设置，可以使得在需要更换传感器时只需要更换传感器板10，而不需要重新开发节点。

数据处理单元20为传感器节点的核心部件，用于控制通信单元30的工作，并用于处理传感器从环境中取得的数据；数据处理单元20包括多个时钟寄存器和外设寄存器，为该节点提供三套时钟，三套时钟包括为数据处理单元的低速外围模块提供时钟信号的辅助时钟，为数据处理单元提供时钟信号的系统主时钟，以及为数据处理单元20的高速外围模块提供时钟信号的子系统时钟；

数据处理单元20还用于通过设置寄存器的控制位改变节点的工作模式，工作模式包括活动模式和多个低功耗模式。

在本发明的一个较佳实施例中，数据处理单元20为MSP430系列混合信号处理器；通信单元30为芯片CC2420；供电单元40包括2节AA电池和稳压电路。

在该较佳实施例中，数据处理单元20为TI公司低功耗系列混合信号处理器MSP430F1611,该系列混合信号处理器的电源电压采用的是1.8～3.6V电压，可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200～400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA，主要负责控制系统功耗、处理数据以及控制其它模块的工作等。通信单元30为Chipcon公司的Zigbee专用芯片CC2420，CC2420工作于2.4GHz，支持IEEE802.15.4/Zigbee协议，同样为低功耗、低电压器件，主要负责各个节点之间稳定可靠的通信。传感器板插槽50提供了种类齐全的数字与模拟信号借口，如AD、I²C、UART以及数字IO等，负责扩展各类传感器。供电单元40为2节AA电池或者1节锂电池，负责为整个节点提供能量。

下面结合附图说明本发明较佳实施例用于无线传感器网络的节点的工作过程。

扩展的传感器板采集环境中的各种数据，数据处理单元20通过其片上丰富的接口获得数据，之后对数据进行处理，必要的时候通过通信单元30进行转发。如此，完成了信号的传输，参照图2至图4，其具体过程为：

传感器板10采集周围环境中的数据，通过图4中JP1、JP2上的各种数字模拟接口，传输到图2中数据处理单元MSP430F1611的相应引脚，MSP430F1611对数据进行适当的处理，将要发送给其它节点的数据通过图2中29号引脚以串行SPI的方式传输给图3中通信单元CC2420的33号引脚，CC2420将数据调制后通过6、8号引脚传输给天线，天线将信号发射出去；相应接收节点的天线接收到该信号，输出给图3中CC2420的6、8号引脚，信号经过解调，之后通过CC2420的34号引脚以串行SPI的方式传输给图2中MSP430F1611的30号引脚，之后进行处理。

MSP430具有片上资源可单独关断的特点，通过配置MSP430相关的时钟寄存器以及相应的外设寄存器来实现。MSP430具有3套时钟：

ACLK辅助时钟：ACLK可由软件选作各个外围模块的时钟信号，一般用于低速外设。

MCLK系统主时钟：MCLK主要用于CPU和系统。

SMCLK子系统时钟：SMCLK主要用于高速外围模块。

在节点工作的过程中，可以通过设置MSP430的相关寄存器控制位来改变节点的工作模式，从而控制节点的功耗。SCG1、SCG2、OscOff、CPUOff是4个控制工作模式的控制位。控制位可由软件配置成6种不同的工作模式：1种活动模式和5种低功耗模式。通过设定控制位，节点可以从活动模式进入相应的低功耗模式；而各种低功耗模式又可以通过中断方式回到活动模式。

具体实施过程为：节点上电工作时，初始化节点为活动模式，配置SCG1=0、SCG2=0、OscOff=0、CPUOff=0，CPU处于活动状态，时钟处于活动状态。节点完成一系列的初始化工作后，进入低功耗模式。

节点有5种低功耗模式，通过配置SCG1、SCG2、OscOff、CPUOff，节点工作于不同的低功耗模式。其具体配置如下：

低功耗模式0：(SCG1=0、SCG2=0、OscOff=0、CPUOff=1)在此模式下，CPU处于禁止状态，MCLK被禁止，SMCLK活动，ACLK活动。

低功耗模式1：(SCG1=0、SCG2=1、OscOff=0、CPUOff=1)在此模式下，CPU处于禁止状态，MCLK被禁止，SMCLK活动，ACLK活动。与模式0的区别在于直流发生器可以被禁止，进一步降低功耗。

低功耗模式2：(SCG1=1、SCG2=0、OscOff=0、CPUOff=1)在此模式下，CPU处于禁止状态，MCLK被禁止，SMCLK被禁止，ACLK活动。

低功耗模式3：(SCG1=1、SCG2=1、OscOff=0、CPUOff=1)在此模式下，CPU处于禁止状态，MCLK被禁止，SMCLK活动，ACLK活动，数字控制振荡器被禁止。

低功耗模式4：(SCG1=*、SCG2=*、OscOff=1、CPUOff=1)在此模式下，CPU处于禁止状态，MCLK被禁止，SMCLK禁止，ACLK禁止，所有振荡器停止工作。

MSP430各个模块运行完全是独立的，定时器、输入/输出接口、A/D、看门狗等都可以在CPU休眠的状态下独立运行。通过配置不同的低功耗模式，相应的时钟会提供给外设。在完全不工作的情况下，进入低功耗模式4，关闭所有的振荡器和时钟。当需要CPU工作时，任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统以最低功耗运行。CPU可以通过中断由某一低功耗模式恢复到活动模式，又可以从活动模式再次进入相应的低功耗模式。

中断可以恢复CPU的活动模式，其过程为：

(1)PC入栈

(2)SR出栈

(3)中断向量赋给PC

(4)清除SCG1、SCG2、OscOff、CPUOff

中断处理清除了SCG1、SCG2、OscOff、CPUOff控制位，从而使CPU进入活动模式。

另外，在设计和应用中，还有一些比较细节的技术使得节点的功耗降低，例如：

(1)在适当的情况下通过配置相关的寄存器降低系统主频。

(2)由MSP430的数字IO控制其它IC的供电，在某些情况下，切断某些IC的电源。

(3)用中断控制程序运行，以便系统做大程度的处于低功耗模式。

(4)用快速查表代替冗长的软件计算，降低CPU活动时间。

(5)避免繁杂的子程序和函数调用。

(6)所有的CMOS输入端不能有浮空引脚，将所有的输入端接适当的电平。

在本发明用于无线传感器网络的节点的较佳实施例中，由于采用了众多的降低功耗的技术，在降低功耗方面取得了良好的效果，具体为：

（1）整体采用低功耗设计技术。首先选择MSP430系列单片机，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8～3.6V电压，可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200～400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA，是目前工业界功耗最低的一款单片机；选择低电压器件，MSP430可以在1.8V供电的情况下工作，节点上其它主要器件如CC2420也都选择了可以在2节AA电池或1节锂电池供电的情况下正常工作的低电压器件；CPU可以单独关断，片上外设在关闭CPU的情况下可以单独工作；降低系统的主频，CMOS电路的工作电流主要来自于开关转换时对后一级输入端的电容充放电，如果能够降低MCU的工作频率自然能够降低系统的功耗，因此在保证CPU处理速度的同时，降低CPU的工作频率可以降低系统的功耗；使用中断技术，以便系统在大部分时间处于深度休眠状态；片外IC的供电可以由CPU进行控制，以便在不需要该器件工作的时候关断该器件的电源。在选择了一款功耗极低的CPU的同时，采用了5种低功耗的技术，保证了传感器节点的低功耗特性，能够适合无线传感器网络的应用；

（2）整体尺寸小，可以达到普通IC卡片大小甚至更小。在控制尺寸上，首先在选择具有较小尺寸的封装的芯片，芯片均为表面贴；选择双面安装器件，这样，可以节省一半PCB板的空间；

（3）传感器节点具有可扩展性。传感器节点上安装有常用的温度、湿度、光照等传感器，但是考虑到其它一些需要特殊传感器的场合，节点在设计过程中留有扩展传感器板的16Pin插槽，16Pin插槽具有丰富的接口，AD、I²C、UART以及数字IO等，能够扩展大部分传感器；

（4）支持IEEE802.15.4/Zigbee协议。IEEE802.15.4/Zigbee协议充分考虑了无线传感器网络应用的要求，具有设备省电、通信可靠、网络自组织、自愈能力强、成本低廉、网络容量大以及网络安全的特点，是实现无线传感器网络的理想协议。CC2420专门为支持IEEE802.15.4/Zigbee而设计，因此采用CC2420。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种用于无线传感器网络的节点，包括数据处理单元、通信单元、传感器板和供电单元，所述传感器板采集数据，并发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元对接收的数据进行处理并通过所述通信单元发送给其他网络节点，所述供电单元为整个节点提供能量，其特征在于，

该网络节点还包括传感器板插槽，用于连接传感器板；

2.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的节点，其特征在于，所述数据处理单元为MSP430系列混合信号处理器。

3.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的节点，其特征在于，所述通信单元为芯片CC2420。

4.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的节点，其特征在于，所述供电单元包括2节AA电池和稳压电路。

5.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的节点，其特征在于，所述传感器板插槽为16针插槽。