CN103338531A - 一种基于无线传感器网络的无线节点 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于无线传感器网络的无线节点，包括传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块及附加接口模块，所述传感器模块分别与微处理器模块及电源模块连接，所述微处理器模块及无线通信模块分别与电源模块连接，所述微处理器模块与无线通信模块连接，所述附加接口模块分别与微处理器模块及与电源模块连接。所述传感器模块，由温度传感器单元及光度传感器单元组成，所述传感器模块用于采集环境信息并发送给微处理器模块。所述微处理器模块，用于处理并存储所述传感器模块发送的环境信息，并将已处理的环境信息发送给无线通信模块。所述无线通信模块，用于发送微处理器模块提供的已处理的环境信息。

Description

一种基于无线传感器网络的无线节点
技术领域
本发明涉及无线传感领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的无线节点。
背景技术
近年来，随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络(WSN)。无线传感器网络通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监控对象的信息，被广泛用于环境监测、医疗卫生、军事防御、反恐救灾等各个领域。无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，是当今嵌入式领域研究的热点，具有非常广阔的市场空间和研究价值。
Sub-1G频段是我们国家的免申请段发射接收频率，可直接使用，穿透性强，适用于障碍物较多、需要无线传输的应用。Sub-1G按照无线传输频段又可细分为433MHz、470MHz、868MHz、915MHz四个系列。相比于2.4G频段，Sub-1G频段在覆盖效果和容量之间效果更佳，目前被广泛应用于移动通信和无线网络领域。
在无线传感器网络技术中，无线节点的设计尤为关键。一款设计优秀的无线节点可以适用于不同的应用场景，且应该具有良好的复用性和扩展性。然而，在现有技术中，缺乏一种复用性好、可靠性高的无线硬件节点。
鉴于上述情况，需要设计一种能够有效提高硬件的复用性和扩展性，并且可靠性高的无线节点。
发明内容
本发明设计了一种基于Sub-1G频段的无线传感器网络节点，该节点组成的集数据采集、处理及通信功能于一体的无线传感器节点网络可用于建筑自动化、智能家居、无线安防等领域。该无线节点负责采集、处理、压缩数据，并中转其它节点的数据包，在网络中充当数据采集者、数据路由者以及数据汇聚者等角色：作为数据采集者，需要收集周围环境的数据（如温度、亮度等）发送给路由节点；作为数据路由者，需要利用路由协议将数据采集者发来的数据转送给远方的数据汇聚节点；作为汇聚节点，需要负责接收所有节点采集的数据，经过数据融合后，发送到基站或者上层使用者。
本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的无线节点，本发明提供的无线节点采用嵌入式硬件构件原则，具有良好的可扩展性及复用性。
本发明提供一种基于无线传感器网络的无线节点，包括传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块及附加接口模块，所述传感器模块分别与微处理器模块及电源模块连接，所述微处理器模块及无线通信模块分别与电源模块连接，所述微处理器模块与无线通信模块连接，所述附加接口模块分别与微处理器模块及与电源模块连接。所述传感器模块，由温度传感器单元及光度传感器单元组成，所述传感器模块用于采集环境信息并发送给微处理器模块。所述微处理器模块，用于处理并存储所述传感器模块发送的环境信息，并将已处理的环境信息发送给无线通信模块。所述无线通信模块，用于发送微处理器模块提供的已处理的环境信息。
优选的，所述附加接口模块包括USB接口、串口接口及SPI接口。
优选的，所述微处理器模块使用MC12311微处理器芯片作为主控芯片。
优选的，所述USB接口采用PL2303RS232-USB接口转换器作无线节点与其它USB设备的接口转换。
优选的，所述无线节点还包括天线，所述天线为PCB天线或Whip天线。
优选的，所述传感器模块与微处理器模块通过内部总线和AD转换接口连接。
优选的，所述电源模块可携带电池供电，或者使用USB接口取电。
优选的，当所述电源模块使用USB接口取电时，所述LP2985的输入电压比输出电压大1V以上。
优选的，所述无线节点使用飞思卡尔S08内核的射频芯片。
优选的，所述无线节点工作频段为Sub-1G频段。
与现有技术相比，本发明提供的基于无线传感器网络的无线节点，通过采用模块化设计及嵌入式硬件结构，使得整个系统的通用性较好。而且除了提供传感器模块预留接口的设计以外，还提供附加接口的设置，可以满足不同应用场景的需求，具有良好的扩展性。此外，对环境信息的无线传递方式，避免了环境对有线连接的影响。同时，本发明选用成熟稳定的飞思卡尔S08内核，工作性能稳定，可靠性高，为无线组网提供了安全保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点结构示意图；
图2是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点的无线射频前端电路原理图；
图3是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点电源模块电路原理图；
图4是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点的附加接口模块电路原理图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点结构示意图。如图1所示，本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点包括传感器模块101、微处理器模块102、无线通信模块103、电源模块104及附加接口模块105。所述传感器模块101分别与微处理器模块102及电源模块104连接，所述微处理器模块102及无线通信模块103分别与电源模块104连接，所述微处理器模块102与无线通信模块103连接，所述附加接口模块105分别与微处理器模块102及与电源模块104连接。
所述传感器模块101，用于采集环境信息并发送给微处理器模块102。所述微处理器模块102，用于处理并存储所述传感器模块101发送的环境信息，并将已处理的环境信息发送给无线通信模块103。所述无线通信模块103，用于发送微处理器模块102提供的已处理的环境信息。
接下来将对本发明的较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点的技术方案展开详细说明。
本发明的较佳实施例提供的无线节点采用的是嵌入式硬件设计，此类型结构设计原则是将一个或多个硬件功能模块、支撑电路及其功能描述封装成一个可重用的硬件实体，并提供一系列规范的输入/输出接口。按重要程度来分，硬件构件可分为核心构件、中间构件和终端构件。其中，核心构件是微控制单元的最小系统，而中间构件是核心构件与终端构件进行连接的桥梁。整个硬件系统被看作是由若干个硬件构件“组装”而成。下面分别介绍构件模块的实现原理。
首先是传感器模块101，用于采集环境信息并发送给微处理器模块102，它包括温度传感器单元及光度传感器单元。所述传感器模块101在微处理器模块102的控制下工作，并且通过内部总线和AD转换接口连接到所述微处理器模块102。同时，为方便扩展传感器种类，传感器模块101还包括其它的接口，可以满足各种应用场景的需求。
在整个无线节点中，微处理器模块102起主要控制作用，它用于处理并存储传感器模块101发送的环境信息，并将已处理的环境信息发送给无线通信模块103；同时还要负责节点组网、数据路由选择以及整个系统的供电功耗控制等。本发明提供的无线节点采用飞思卡尔S08内核，该芯片工作性能稳定，可以为无线组网提供足够的安全保障。此外，飞思卡尔的S08内核具有极低的功耗需求，收发器在待机状态下的电流仅为100nA。本发明中的微处理器模块102采用MC12311微处理器芯片作为主控芯片，MC12311微控制器芯片具有多种低功耗工作模式，能满足各种不同环境下的功耗需求。
当微处理器模块102将已处理的环境信息发送给无线通信模块103后，无线通信模块103将所述已处理的环境信息通过自身无线通信功能发送到其它节点。由于使用的是Sub-1G频段，无线通信模块103可以在很大范围内通信。同时，信息的无线传递方式减少了检测现场的布线，并且通过多点中继，多点路由等多跳通信方式将各种网络拓扑结构引入网络，使网络结构灵活多变。
在本实施例中，MC12311微控制器芯片及飞思卡尔S08芯片工作在Sub1GHz频段，相比工作在2.4G频率段的其它芯片，其信号的传播距离更远。因此，在节点的硬件电路设计中，就不需要使用外部功率放大器和低噪声放大电路的设计来增加信号传输距离。此外，MC12311微控制器芯片与早先飞思卡尔无线射频芯片使用差分天线口不同，MC12311使用的是单端天线接口，所以MC12311微控制器芯片配合单端天线时，也不需要设计巴伦（平衡/不平衡变压器）电路。
图2是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点的无线射频前端电路原理图。如图2所示，基于MC12311微控制器芯片的无线射频前端设计较为简洁，降低了射频硬件的开发复杂度，使无线节点的成本控制在最小的范围内。
本实施例中的电源模块104提供两种给电方式：可携带电池供电，也可使用USB接口取电。其中，电源模块104的最大输出电流为150mA，而MC12311芯片的工作电压范围为1.8V到3.6V。若采用电池给电方式，两节5号干电池可以产生3V的电压，恰好满足MC12311芯片的工作电压范围，可以直接给芯片供电，不需要利用电源转换电路。
若采用USB接口给电方式，可通过本发明提供的无线节点的底座模块USB接口进行取电，该USB接口可提供5V的电压，此时需要使用电源转换芯片进行电源转换。本发明采用芯片LP2985将电压从5V转换为3.3V，其中所述LP2985的输入电压范围为4-16V，输出电压为3.3V，其输入电压需要比输出电压大1V以上。
图3是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点电源模块电路原理图。如图3所示：当引脚3为高时，模块被使能；且芯片LP2985AIM5-3.3面积为2.9mm*2.84mm。同时，本发明设计的无线节点大小为6cm*4cm*2cm，体积轻巧，便于携带。
由于USB接口具有外设电路简单、传输速度快等优点，USB接口和串口一样，在数据通信中担任着不可替代的角色。本实施例中的附加接口模块105，可用于提供USB接口、串口接口及SPI接口。然而由于芯片MC12311没有USB模块，为了使无线节点能够与其他USB设备通信，无线节点的无线底座采用外扩USB协议转换芯片PL2303的方案。具体而言，即采用PL2303RS232-USB接口转换器作无线节点与其它USB设备的接口转换。
图4是本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点的附加接口模块电路原理图。如图4所示，PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的通信解决方案。PL2303芯片完全符合USB规范2.0，内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几个电容就可实现USB信号与RS232信号的转换。
此外，天线是发射和接收电磁波重要的无线电设备之一，好的天线设计不仅可以延长传输距离，还可以减少信号损耗。常用的天线有PCB天线、Chip天线、弹簧天线以及Whip（鞭状）天线。其中，PCB天线成本较低，但设计难度大，技术要求高；Chip天线（即陶瓷天线）体积小成本适中，适用于空间较小的场合；弹簧天线制作简单且成本低，但效果欠佳，适合近距离放大使用；本发明出于成本和信号质量的双重考虑，同时设计了PCB和Whip两种天线，以适应不同的应用场景和成本控制。
综上所述，根据本发明较佳实施例提供的基于无线传感器网络的无线节点，通过采用模块化设计及嵌入式硬件结构，使得节点具有高适应性和极强的生存能力。通过附加接口及传感器预留接口的设置，提供不同设备接口，以满足不同应用场景的需求，具有良好的扩展性。同时，该无线节点体积轻巧，并具有多种低功耗工作模式，能满足各种不同环境下的功耗需求。此外，无线通信模块对信息的无线传递方式，避免了环境对有线连接的影响。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的无线节点，其特征在于，包括传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块及附加接口模块，所述传感器模块分别与微处理器模块及电源模块连接，所述微处理器模块及无线通信模块分别与电源模块连接，所述微处理器模块与无线通信模块连接，所述附加接口模块分别与微处理器模块及与电源模块连接，
所述传感器模块，由温度传感器单元及光度传感器单元组成，所述传感器模块用于采集环境信息并发送给微处理器模块；
所述微处理器模块，用于处理并存储所述传感器模块发送的环境信息，并将已处理的环境信息发送给无线通信模块；
所述无线通信模块，用于发送微处理器模块提供的已处理的环境信息。
2.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述附加接口模块包括USB接口、串口接口及SPI接口。
3.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述微处理器模块使用MC12311微处理器芯片作为主控芯片。
4.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述USB接口采用PL2303RS232-USB接口转换器作无线节点与其它USB设备的接口转换。
5.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述无线节点还包括天线，所述天线为PCB天线或Whip天线。
6.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述传感器模块与微处理器模块通过内部总线和AD转换接口连接。
7.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述电源模块可携带电池供电，或者使用USB接口取电。
8.根据权利要求7所述的无线节点，其特征在于，当所述电源模块使用USB接口取电时，所述LP2985的输入电压比输出电压大1V以上。
9.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述无线节点使用飞思卡尔S08内核的射频芯片。
10.根据权利要求1所述的无线节点，其特征在于，所述无线节点工作频段为Sub-1G频段。
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