CN103826246A - 一种多频段无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频段无线传感器节点，其特征在于，该传感器节点包括：超低功耗微处理器、与其连接的多频段射频收发机模块、传感器模块及外置配置存储器；其中，所述超低功耗微处理器至少为16位微处理器，用于负责控制整个传感器节点运行，通过其内部的Contiki操作系统控制所述传感器模块完成传感信息的采集，并通过多频段射频收发机完成无线传感器网络的组网与信息传输；所述外置配置存储器，用于存储当前传感器节点的配置信息。通过采用本发明公开的传感器节点，可有效扩大网络容量，扩展通信距离，并方便在实际应用中节点的部署。

Description

一种多频段无线传感器节点

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种多频段无线传感器节点。

背景技术

无线传感器网络是由大量无线传感器节点组成的网络，它是计算机网络技术，传感器技术以及无线通信技术的有机结合。无线传感器网络节点利用其自身装载的传感器，采集其周围环境信息，并通过无线电磁波将采集到的信息传送至其周围的节点，最终汇聚到网络，实现网络部署区域环境信息的感知与监测。无线传感器节点作为无线传感器网络的基本组成部分，需要完成信息采集与传输的功能。

不同的机构都致力于各自的无线传感器网络的研究，现有的传感器节点硬件上大都采用8位微处理器，节点信息处理与数据转发的能力被处理器的位宽与频率大大限制；Flash存储器与RAM内存资源紧张，开发不方便；射频收发机仅支持非常拥挤的2.4GHz频段，容易受到微波炉等家电以及Wi-Fi、蓝牙等设备的干扰，引起通信距离短，数据频繁重传等问题，严重消耗了节点本来已经受限的资源；并且对节点的配置仅仅能通过对处理器或者Flash芯片的重新编程实现，加大了节点部署的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种多频段无线传感器节点，可有效扩大网络容量，扩展通信距离，并方便在实际应用中节点的部署。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多频段无线传感器节点，该传感器节点包括：超低功耗微处理器、与其连接的多频段射频收发机模块、传感器模块及外置配置存储器；

其中，所述超低功耗微处理器至少为16位微处理器，用于负责控制整个传感器节点运行，通过其内部的Contiki操作系统控制所述传感器模块完成传感信息的采集，并通过多频段射频收发机完成无线传感器网络的组网与信息传输；

所述外置配置存储器，用于存储当前传感器节点的配置信息。

进一步的，该传感器节点还包括：与所述超低功耗微处理器连接的USB转换模块及电源模块；

所述USB转换模块，用于在开发阶段显示调试信息、对当前传感器节点进行供电、通过串行线路因特网协议SLIP协议与无线传感器网关互相连通，以及对节点的配置信息进行交互式的显示与配置；

所述电源模块，用于为当前传感器节点供电；

所述电源模块与所述USB转换模块相连，通过单刀双掷开关进行选择与切换。

进一步的，所述多频段射频收发机模块包括：

工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机，并通过串行外设接口SPI总线、通用输入输出接口以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。

进一步的，所述多频段射频收发机模块在完成初始化之后，进行工作模式的判断；若为独立模式，则所述工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机独立工作；若为协作模式，则所述工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机协同工作，实现频段间互通。

进一步的，所述传感器模块包括：温湿度传感器及光强传感器，通过SPI总线以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。

进一步的，所述外置配置存储器具有可字节编程的特性，不需要进行整个页面的擦除便可对单个字节进行编程。

进一步的，所述超低功耗微处理器内搭载了Contiki操作系统，当前传感器节点上电复位后，依次进行系统时钟、通用异步收发传输器UART模块与能量检测模块的初始化；

其中，所述UART模块用于显示调试信息与进行节点的配置，能量检测模块用于感知无线传感器节点剩余能量，作为节点软件分簇功能实现簇首轮换决策时的参考；

随后判断所述外置配置存储器引脚的电平，若为低电平，则进行节点配置写入模式；若为高电平则，则从所述外置配置存储器中读取自身配置信息；再进行多频段射频收发机、媒体接入控制MAC层、网络层及定时器的初始化；所述定时器为etimer时间定时器，用于产生系统节拍，驱动操作系统的运行；

之后，依次启动传输控制协议/因特网互联协议TCP/IP进程及其他自启动进程；所述其他自启动进程包括：感器数据采集进程与网络协议进程；

当Contiki操作系统启动工作完成后，进入实际的任务处理过程；并检查进程队列中的某一进程是否需要处理，若有，则根据预设调度算法选择一个进程进行执行；当没有任务需要处理时，处理器休眠以节约能源，直至系统定时器到期，处理器被重新唤醒，继续检查是否有进程需要处理。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过内置的Contiki操作系统，方便升级与移植；支持多个无线通信频段，可有效扩大网络容量，扩展通信距离，搭载了外置存储器，将节点功能代码与配置信息分开，可以在不对处理器或者Flash芯片进行重新编程的情况下进行节点配置，方便在实际应用中节点的部署。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例一提供的一种多频段无线传感器节点的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的多频段射频收发机模块与超低功耗微处理器的连接示意图；

图3为本发明实施例二提供的多频段射频收发机模块的工作流程图；

图4为本发明实施例二提供的传感器模块与超低功耗微处理器的连接示意图；

图5为本发明实施例二提供的外置配置存储器与超低功耗微处理器的连接示意图；

图6为本发明实施例二提供的外置配置存储器配置界面的示意图；

图7为本发明实施例二提供的超低功耗微处理器内置的Contiki操作系统运行的流程图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在无线传感器网络节点的在软件方面，目前节点大都采用了前后台任务处理的方式，即正常状态下处理主循环中的任务，当发生中断时则处理中断，中断返回后继续进行主循环。由于没有专用的操作系统，使得节点的代码设缺乏条理与可扩展性，各个任务之间缺乏规范有效的通信方式。Contiki是近年来出现的一个小型的开源多任务操作系统，它只需要极少的内存即可实现，非常适用于无线传感器节点等资源极度受限的环境，并且它提供了一种简单的类似于线程的程序实现方式，使得无线传感器节点的代码能以模块的方式实现，方便了程序的移植。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种多频段无线传感器节点的结构示意图。如图1所示，该传感器节点主要包括：

超低功耗微处理器、与其连接的多频段射频收发机模块、传感器模块及外置配置存储器；

其中，所述超低功耗微处理器至少为16位微处理器，用于负责控制整个传感器节点运行，通过其内部的Contiki操作系统控制所述传感器模块完成传感信息的采集，并通过多频段射频收发机完成无线传感器网络的组网与信息传输；

所述外置配置存储器，用于存储当前传感器节点的配置信息。

进一步的，该传感器节点还包括：与所述超低功耗微处理器连接的USB转换模块及电源模块；

所述USB转换模块，用于在开发阶段显示调试信息、对当前传感器节点进行供电、通过串行线路因特网协议SLIP协议与无线传感器网关互相连通，以及对节点的配置信息进行交互式的显示与配置；

所述电源模块，用于为当前传感器节点供电；

所述电源模块与所述USB转换模块相连，通过单刀双掷开关进行选择与切换。

进一步的，所述多频段射频收发机模块包括：

工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机，并通过串行外设接口SPI总线、通用输入输出接口以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。

进一步的，所述传感器模块包括：温湿度传感器及光强传感器，通过SPI总线以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。

本发明实施例通过内置的Contiki操作系统，方便升级与移植；支持多个无线通信频段，可有效扩大网络容量，扩展通信距离，搭载了外置存储器，将节点功能代码与配置信息分开，可以在不对处理器或者Flash芯片进行重新编程的情况下进行节点配置，方便在实际应用中节点的部署。

实施例二

为了便于理解本发明，下面结合附图2-7对本发明做进一步的介绍。

本发明实施例中，所述超低功耗微处理器可以采用16位超低功耗微处理器MSP430F5438A来实现，该微处理器具有256Kbyte的Flash存储空间（闪存）与16Kbyte的RAM（随机存储器）内存空间，可以有效缓解传统无线传感器节点资源严重受限的问题；处理器具有丰富的接口与外部总线，可以与高精度传感器模块、多频段射频收发机模块、外置配置存储器芯片等资源进行互联；此外节点采用了处理器内部的RC振荡器作为其辅助时钟源，并将辅助时钟通过锁相环（PLL）进行倍频作为其主时钟，这样做避免了使用较为脆弱的外置晶体振荡器，除了降低了节点的制造成本，提高了集成度，更能使得节点更好的适应恶劣的工作环境。通过软件代码可以实现两个频段的收发机单独工作或者实现互联互通。

所述超低功耗微处理器主要负责控制整个传感器节点运行，通过其内部烧写的Contiki操作系统代码控制传感器完成传感信息的采集，并通过多频段射频收发机模块完成无线传感器网络的组网与信息传输，该微处理器通过其外设总线接口以及通用输入输出管脚与其余各个功能模块相连接。

本发明实施例中，多频段射频收发机模块可以采用Atmel（艾特梅尔）公司出品的AT86RF231与AT86RF212芯片。它们都是硬件支持IEEE802.15.4标准的低功耗射频芯片，其中AT86RF231芯片工作在2.4GHz频段，而AT86RF212芯片可以工作在中国IEEE802.15.4c2006标准的780MHz频段(779-787MHz)，亦可支持北美标准的900MHz频段(902-928MHz)与欧洲的800MHz频段(863-870MHz)。两个射频收发机都支持可编程的功率输出，支持IEEE802.15.4的MAC层加速功能：包括支持自动CSMA/CA(Carriersense multiple access with collision avoidance,载波侦听多路访问/碰撞避免)，FCS（Frame Check Sequence，帧校验序列）的自动计算与校验，支持IEEE802.15.4MAC地址过滤，支持128位AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准)的硬件计算等。射频收发机通过SPI接口与微处理器相连接，此外射频收发机还要占用一个微处理器的外部中断引脚以对处理器进行中断通知。

如图2所示，为所述多频段射频收发机模块与所述超低功耗微处理器间的连接示意图。MSP430F5438A芯片（超低功耗微处理器）的75管脚与AT86RF231的复位管脚RST相连接，74管脚与AT86RF212的复位管脚RST相连接；73管脚与AT86RF231的休眠控制SLP_TR管脚相连接，72管脚与AT86RF212的休眠控制SLP_TR相连接；AT86RF231的中断请求管脚INT与MSP430F5438A处理器的23管脚相连接，AT86RF212的中断请求管脚INT与MSP430F5438A的24管脚相连接；此外，MSP430F5438A的通用串行通信模块UCA1模块配置为SPI模式与射频收发机进行数据以控制信息的交互。

如图3所示，为多频段射频收发机模块的工作流程图。射频收发机模块初始化之后，首先进行工作模式判断，判断的标准可以是预先配置好的，亦可为代码运行时自动判定。根据判断结果，射频收发机进入独立模式或是协作模式。在独立工作模式下，多个射频收发机之间独立工作，互补干扰，亦可根据信道限制或是具体应用需求等关闭某些频段的射频收发机，以达到降低节点功耗的目的。在协作工作模式下，可实现频段间互通；例如，当需要以同一个网络监测多个距离较远的区域时，可以使用2.4GHz射频收发机传输本地的较小范围内的数据，利用780MHz信号自由空间损耗较小的优势，使用780MHz射频收发机将数据进行较远距离的传递。

本发明实施例中，所述传感器模块包括：温湿度传感器及光强传感器，通过SPI总线以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。温湿度传感器可以采用SHT21传感器实现，这是一款高精度低功耗数字输出的温湿度传感器，自带有I²C接口，在12比特条件下，其相对湿度分辨率可达0.04%，温度分辨率可以达到0.04℃，且在测量状态仅需要消耗300uA的电流，非常适合在能量受限的无线传感器节点上使用。光强传感器选用TLS2561传感器实现，这是一款数字式光强传感器，通过两个通道采集不同波段的光强，然后进过计算可以获得近似于人眼反应的光强数据，带有50/60Hz的光强波动抑制功能，可以滤除交流电供电带来的光强波动，适合于各种环境的光强检测，且具有中断的产生功能，可以通过软件编程设置光强变化的阈值，当光强变化超过阈值时会向处理器发出中断信号。如图4所示，SHT21温湿度传感器连接在了MSP430F5438A通用串行通信模块UCB0模块上，光强传感器连接到MSP430F5438A通用串行通信模块UCB1模块上，此外其中断线INT连接到微处理器的22引脚。

本发明实施例，所述USB转换模块，可以采用CP2102芯片实现，具有如下功能：1）对当前传感器节点进行供电；2）实现通用异步收发器与USB总线的双向通信，在节点开发阶段可以显示调试信息，加速节点软件代码开打速度；3）通过USB接口，Sink节点可以与多协议物联网网关相连接，使用SLIP协议与网关进行通信，将其子节点采集到的温湿度光强信息发送至物联网网关；4）在实际部署阶段，借助电脑的超级终端等软件，通过USB接口对节点的配置信息进行交互式的显示与配置，方便节点的部署工作。另外，USB接口的电源VBUS_5V还与传感器节点的电源模块相连接，通过单刀双掷开关可以选择使用USB供电或者电池供电。与超低功耗微处理器MSP430F5438A连接时，MSP430F5438A的39引脚链接CP2102芯片的25引脚RXD，40引脚链接CP2102芯片的26引脚TXD；CP2102的4引脚链接USB接口的DATA+信号，5引脚链接USB接口的DATA-信号实现与USB接口的通信。

本发明实施例中，外置配置存储器，用于存储当前传感器节点的配置信息；通过外置配置存储器实现了节点软件代码与配置信息的分离。通过常见的USB接口，而不是专用的JTAG编程接口便可对无线传感器节点进行交互式的配置，加速了节点的代码烧写及实际部署阶段的节点配置过程。外置配置存储器可以采用AT24C02芯片来实现，这是一款带有I²C总线接口的E²PROM或EEPROM芯片。这里采用E²PROM或EEPROM存储器是因为其具有可字节编程的特性，不需要进行整个页面的擦除便可对单个字节进行编程，数据改写快速方便。

如图5所示，外置配置存储器使用I²C总线与微处理器相连接，MSP430F5438A芯片将其通用串行通信模块UCB3配置为I²C模式，对外置配置存储器进行数据读写。外置配置存储器还需占用处理器的82引脚作为状态判断引脚，将其配置为输入模式，并使能了内部的上拉电阻。正常状态下，节点复位后软件检测到82引脚为高电平，从外置配置存储器中读取出配置信息，并对无线传感器节点进行相关设置；当需要对节点进行配置时，短接引出的连接器P3，将82引脚拉低至低电平，软件检测到低电平，进入交互式节点配置阶段，配置完成，节点自动重启，重启后配置生效。

外置配置存储器的配置界面如图6所示，先短接P3，进入节点配置界面，提示输入节点的IEEE802.15.4MAC地址，按照提示的格式输入后，显示出输入的MAC地址，然后根据提示断开短接的P3接口，节点重启，重启完成后，可以看到节点的MAC地址信息已经能够顺利的读入。

本发明实施例中，传感器节点采用了Contiki操作系统，使得无线传感器节点的代码能以模块的方式实现，方便了程序的移植。

其工作流程如图7所示，节点上电复位后，首先初始化系统时钟：MSP430F5438A芯片需要三种时钟源，它们分别是MCLK主时钟、ACLK辅助时钟与SMCLK子系统时钟，本发明实施例中传感器节点的ACLK时钟使用微处理器内部的高精度RC振荡器提供，该时钟经倍频后为处理器提供主时钟MCLK，主时钟源经过分频后提供SMCLK时钟。MCLK频率可以为4MHz，SMCLK时钟频率2MHz，ACLK时钟频率32KHz。

之后初始化UART（通用异步收发传输器）模块与能量检测模块，UART模块用于显示调试信息与进行节点的配置，能量检测模块用于感知无线传感器节点剩余能量，作为节点软件分簇功能实现簇首轮换决策时的参考。随后判断外置配置存储器配置引脚的电平，以决定进入节点配置写入模式还是配置读取模式，此部分已在上一段落中进行介绍，在此不再赘述。正常状态下，传感器节点从外置配置存储器中读取自身配置信息并加载至Contiki操作系统。随后机型多频段射频收发机的初始化，IEEE802.15.4MAC层初始化与网络层的初始化。

随后初始化系统的定时器，Contiki操作系统使用etimer事件定时器来产生系统节拍，驱动操作系统的运行。在本发明所涉及的传感器节点上，系统时钟节拍的频率为128Hz，即每秒钟产生128次时钟中断，etimer使用ACLK时钟源经过分频得到。在此之后，启动TCP/IP进程，用于处理TCP/IP数据包的发送与接收，随后启动其他自启动进程链表中包含的进程，包含传感器数据采集进程，网络协议进程等。完成以上的操作之后，操作系统启动工作完成，进入实际的任务处理过程，Contiki操作系统会检查进程队列中的每个进程是否需要处理，事后由进程设置的定时器到期，根据其调度算法选择一个进程进行执行。当没有任务需要处理时，处理器休眠以节约能源，直至系统定时器到期，即达到下一个时钟节拍，处理器被重新唤醒，继续检查是否有事件需要处理。

本发明实施例通过内置的Contiki操作系统，方便升级与移植；支持多个无线通信频段，可有效扩大网络容量，扩展通信距离，搭载了外置存储器，将节点功能代码与配置信息分开，可以在不对处理器或者Flash芯片进行重新编程的情况下进行节点配置，方便在实际应用中节点的部署。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多频段无线传感器节点，其特征在于，该传感器节点包括：超低功耗微处理器、与其连接的多频段射频收发机模块、传感器模块及外置配置存储器；

其中，所述超低功耗微处理器至少为16位微处理器，用于负责控制整个传感器节点运行，通过其内部的Contiki操作系统控制所述传感器模块完成传感信息的采集，并通过多频段射频收发机完成无线传感器网络的组网与信息传输；

所述外置配置存储器，用于存储当前传感器节点的配置信息。

2.根据权利要求1所述的传感器节点，其特征在于，该传感器节点还包括：与所述超低功耗微处理器连接的USB转换模块及电源模块；

所述USB转换模块，用于在开发阶段显示调试信息、对当前传感器节点进行供电、通过串行线路因特网协议SLIP协议与无线传感器网关互相连通，以及对节点的配置信息进行交互式的显示与配置；

所述电源模块，用于为当前传感器节点供电；

所述电源模块与所述USB转换模块相连，通过单刀双掷开关进行选择与切换。

3.根据权利要求1所述的传感器节点，其特征在于，所述多频段射频收发机模块包括：

工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机，并通过串行外设接口SPI总线、通用输入输出接口以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。

4.根据权利要求3所述的传感器节点，其特征在于，

所述多频段射频收发机模块在完成初始化之后，进行工作模式的判断；若为独立模式，则所述工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机独立工作；若为协作模式，则所述工作在2.4GHz频段及780MHz频段的射频收发机协同工作，实现频段间互通。

5.根据权利要求1所述的传感器节点，其特征在于，所述传感器模块包括：温湿度传感器及光强传感器，通过SPI总线以及外部中断线与所述超低功耗微处理器相连接。

6.根据权利要求1所述的传感器节点，其特征在于，所述外置配置存储器具有可字节编程的特性，不需要进行整个页面的擦除便可对单个字节进行编程。

7.根据权利要求1所述的传感器节点，其特征在于，

所述超低功耗微处理器内搭载了Contiki操作系统，当前传感器节点上电复位后，依次进行系统时钟、通用异步收发传输器UART模块与能量检测模块的初始化；

其中，所述UART模块用于显示调试信息与进行节点的配置，能量检测模块用于感知无线传感器节点剩余能量，作为节点软件分簇功能实现簇首轮换决策时的参考；

随后判断所述外置配置存储器引脚的电平，若为低电平，则进行节点配置写入模式；若为高电平则，则从所述外置配置存储器中读取自身配置信息；再进行多频段射频收发机、媒体接入控制MAC层、网络层及定时器的初始化；所述定时器为etimer时间定时器，用于产生系统节拍，驱动操作系统的运行；

之后，依次启动传输控制协议/因特网互联协议TCP/IP进程及其他自启动进程；所述其他自启动进程包括：感器数据采集进程与网络协议进程；

当Contiki操作系统启动工作完成后，进入实际的任务处理过程；并检查进程队列中的某一进程是否需要处理，若有，则根据预设调度算法选择一个进程进行执行；当没有任务需要处理时，处理器休眠以节约能源，直至系统定时器到期，处理器被重新唤醒，继续检查是否有进程需要处理。

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