CN103906212B - 一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，该节点包括采集模块、数据处理模块和无线模块，其中，所述信号采集模块将物理世界中的声音信号转换为所述数据处理模块可识别的数字信号，该数字信号被传送到与之相连的数据处理模块中，所述数据处理模块将信号采集模块送来的数字信号进行分析和存储，并将分析结果通过所述的无线收发模块与周围节点相互交换；所述的数据处理模块可利用节点自身的采集模块采集的数据对发声体定位与跟踪，也可通过多个节点间相互交换信息，实现对发声体的定位与跟踪。发明使用高性能控制器实现节点的高智能化，并结合硬件平台的自主研发，实现低能耗、高精度时钟同步。

Description

一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点。

背景技术

目前WSN正向着嵌入式网络传感器(Embedded Web Sensor)方向发展，同时也是研究的热点。现有的和成熟的传感器大多只有独立采集和收集数据的能力。对于实现网络传输、无线收发、时钟同步、节点节能控制的实际应用还处在研究阶段，距大规模生产应用还有一定的距离。同时，由于传感器节点的应用背景以及设备特性，能耗控制成为亟待解决的技术难题。

无线传感器网络应用的多样化使得时间同步成为一个关键性的基础服务，同时也给能耗控制提出了诸多不同的要求。而传统的各种节点定位和同步算法是在理想的能耗下进行的，没有对能量限制情况进行分析。因此，如何实现节点在能耗和精度上的合理配置，是迫在眉睫需要解决的问题。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，该节点包括采集模块、数据处理模块和无线模块，

其中，所述信号采集模块将物理世界中的声音信号转换为所述数据处理模块可识别的数字信号，该数字信号被传送到与之相连的数据处理模块中，所述数据处理模块将信号采集模块送来的数字信号进行分析和存储，并将分析结果通过所述的无线收发模块与周围节点相互交换；

所述的数据处理模块利用节点自身的采集板采集的数据对发声体定位与跟踪，也可通过多个节点间的数据交换，实现对发声体的定位与跟踪；

所述采集模块为一信号采集板，所述数据处理模块包括主控板，所述主控板包括FPGA部分和DSP部分。

进一步，所述信号采集板包括传声器、调理电路、AD转换芯片，上述各器件顺次连接；所述传声器采集6路声音信号，其将声音信号转换为模拟电信号；所述调理电路对模拟电信号滤波，偏置和放大后，传送至所述AD转换芯片，转换为16位的数字信号。

进一步，所述FPGA部分包含FPGA芯片、USB通信接口、GPS模块、射频无线模块、SRAM模块和FLASH模块，通过对FPGA编程实现模块的控制和协调工作；所述DSP部分包含DSP芯片、USB通信接口、FLASH程序存储模块、SDRAM模块，采用C语言编程实现DSP芯片对这些模块的控制；同时，在主控板上完成FPGA和DSP之间的通信。

进一步，所述AD转换芯片经过隔离芯片将信号传给主控板，所述信号采集板和主控板通过插接件连接；所述信号采集板上设置第一电源模块，对采集板进行供电，并且实现智能休眠控电。

进一步，所述第一电源模块包括继电器，所述主控板中的FPGA通过算法分析，对该继电器进行控制，改变芯片的工作状态；

所述该继电器用于直接关断DC24V的直流电，其中5，6脚为电压输入、输出引脚，相当于开关的两个引脚；1，4引脚接+5V直流电，为芯片使用要求，2，3引脚为控制引脚，在本实施例中，2，3引脚通过三极管与地相连，三极管的B端受FPGA控制，当2，3引脚为低电平时，5，6引脚导通；当三极管的B端，即/SET与/RESET引脚为高电平时，三极管C、E导通，即2，3引脚为低电平5，6引脚导通。

进一步，所述主控板上设置第二电源模块，对主控板进行供电；所述第二电源模块也受FPGA的控制，根据实际需求，通过算法实现芯片工作状态的转换；

G端为芯片的使能端，当G端为高电平时，S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4导通，当G端为低电平时，S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4阻断，起到开关作用。

进一步，所述无线模块的有六种工作模式，分别为空闲模式、发送模式、接收模式、命令模式、休眠模式和关断模式，无线模块在一个时间只能处于一种模式；

所述无线模块支持硬件关断和软件休眠模式；当把SHDN引脚电平置为低电平后，无线模块将进入硬件关断模式；在SHDN引脚电平置高以后，无线模块将进行复位，经过至多100ms的时间进入空闲模式状态。

所述节点具有数据处理能力，它可对所采集的信号及搜集到的信息智能处理，能实现单节点自身自主定位和节点间联合定位。

所述节点的散布区域中所有的节点间属于平等关系，且每个节点的正常工作无需基站的支持，即每个节点均可根据自身周围的环境，智能判断作为信标节点或接收节点。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：发明使用高性能控制器(如FPGA、DSP等)实现节点的高智能化，并结合硬件平台的自主研发，实现低能耗、高精度时钟同步；本发明的无线传感器网络的包括节点结构和通信协议，可以有效的节省能量和提高同步精度，尤其在大规模的无线传感器网络中影响更为显著，能极大的降低系统能耗。本发明的无线传感器网络实现了声音目标的定位、跟踪，并具有快速展开、抗毁性强、隐蔽性强等特点；实现了声音探测节点，具有很好的隐蔽性、灵活性、快速组网能力；发明对于物联网的无线传感网络领域进行深入研究，具有广阔的现实意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点的功能框图；

图2为本发明节点的结构示意图；

图3为本发明控制采集板电源模块的电路图；

图4为本发明控制主控板的电源模块的电路图；

图5为本发明无线模块的模式状态转移图。

图6为本发明整体电源控制电路图。

图7为本发明系统按需供电控制电路图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点的功能框图，本发明节点包括采集模块、数据处理模块和无线模块，其中，所述信号采集模块将物理世界中的声音信号转换为所述数据处理模块可识别的数字信号，该数字信号被传送到与之相连的数据处理模块中，所述数据处理模块将信号采集模块送来的数字信号进行分析和存储，并将分析结果通过所述的无线收发模块与周围节点相互交换；所述的数据处理模块利用节点自身的采集板采集的数据对发声体定位与跟踪，也可通过多个节点间的数据交换，实现对发声体的定位与跟踪。

请参阅图2所示，其为本发明节点的结构示意图，在本发明中，所述采集模块为一信号采集板，所述信号采集板包括传声器、调理电路、AD转换芯片，上述各器件顺次连接；所述传声器采集6路声音信号，其将声音信号转换为模拟电信号；所述调理电路对模拟电信号滤波，偏置和放大后，传送至所述AD转换芯片，转换为16位的数字信号。在本实施例中，所述AD转换芯片为ADS8365。

所述AD转换芯片经过隔离芯片将信号传给主控板，所述信号采集板和主控板通过插接件连接；所述信号采集板上设置第一电源模块，对采集板进行供电，并且实现智能休眠控电。

所述主控板包括现场可编程门阵列(FPGA)部分和微处理器(DSP)部分，所述FPGA部分包含FPGA芯片、USB通信接口、GPS模块、射频无线模块、SRAM模块和FLASH模块，通过对FPGA编程实现模块的控制和协调工作；所述DSP部分包含DSP芯片、USB通信接口、FLASH程序存储模块、SDRAM模块，采用C语言编程实现DSP芯片对这些模块的控制；同时，在主控板上完成了FPGA和DSP之间的通信。所述主控板上设置第二电源模块，对主控板进行供电。

请参阅图3和6所示，其分别为本发明采集板电源模块的电路图和整体电源控制电路图，所述第一电源模块包括继电器，所述主控板中的FPGA通过算法分析，可以对该继电器进行控制，改变芯片的工作状态，达到部分节能。

所述该继电器可以用于直接关断DC24V的直流电，其中5，6脚为电压输入、输出引脚，相当于开关的两个引脚；1，4引脚接+5V直流电，为芯片使用要求，2，3引脚为控制引脚，在本实施例中，2，3引脚通过三极管与地相连，三极管的B端受FPGA控制，当2，3引脚为低电平时，5，6引脚导通；当三极管的B端，即/SET与/RESET引脚为高电平时，三极管C、E导通，即2，3引脚为低电平5，6引脚导通，5，6引脚导通，从而达到FPGA控制继电器的效果，实现电路的节能。

请参阅图4和7所示，其分别为本发明主控板的电源模块的电路图和系统按需供电控制电路图，所述第二电源模块也受FPGA的控制，根据实际需求，通过算法实现芯片工作状态的转换。

G端为芯片的使能端，当G端为高电平时，S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4导通，当G端为低电平时，S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4阻断，起到开关作用，从而实现FPGA控制电路通断，达到节能效果。

本发明中数据处理芯片DSP采用的TMS320C6747以及无线收发模块采用的9xTend，均有多种工作模式，可根据实际的需求，通过相应的算法实现各种工作模式间的转换，也能达到节能的效果；其内置上电/休眠控制器，利用该控制器管理片内各模块的供电、时钟的供给和各模块的重启同时，该控制器定义了几种模块状态，如下表1所示：

表1TMS320C6747片内各模块的状态

本发明从降低芯片功耗的角度出发，设置使用的模块为Enable状态，不使用的模块设置为Disable状态，从而降低整个系统的功耗。

9XTend无线模块的有六种工作模式，分别为空闲模式、发送模式、接收模式、命令模式、休眠模式和关断模式，无线模块在一个时间只能处于一种模式，其模式状态转移图如下图5所示。9XTend无线模块支持硬件关断和软件休眠模式，从而可以实现低功耗设计。当把SHDN引脚电平置为低电平后，无线模块将进入硬件关断模式，在此模式下，无线模块的VCC引脚的电流只有5微安。在SHDN引脚电平置高以后，无线模块将进行复位，然后经过至多100ms的时间进入空闲模式状态。通过使用SM(S1eep Mode)命令可以将9XTend无线模块设置为引脚休眠、串行口休眠和周期休眠模式，引脚休眠模式下无线模块的功耗小于147微安，串行口休眠模式下无线模块的功耗小于10毫安，周期休眠模式下无线模块的功耗小于1.6毫安。

本发明通过节点的休眠与唤醒是FPGA根据节点周围的环境，通过内部相应的算法自动识别，然后实现智能休眠与唤醒，使能耗实现智能调节；所述节点具有数据处理能力，可对所采集的信号及搜集到的信息智能处理，能实现单节点自身定位和节点间联合定位；所述节点的散布区域中所有的节点间属于平等关系，且每个节点的正常工作无需基站的支持，即每个节点均可根据自身周围的环境，智能判断作为信标节点或接收节点；所述节点集数据采集，数据处理和无线收发于一体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，其特征在于，该节点包括采集模块、数据处理模块和无线模块，

其中，所述采集模块将物理世界中的声音信号转换为所述数据处理模块可识别的数字信号，该数字信号被传送到与之相连的数据处理模块中，所述数据处理模块将采集模块送来的数字信号进行分析和存储，并将分析结果通过所述的无线模块与周围节点相互交换；

所述的数据处理模块利用节点自身的采集板采集的数据对发声体定位与跟踪，或通过多个节点间的数据交换，实现对发声体的定位与跟踪；

所述采集模块为一信号采集板，所述数据处理模块包括主控板，所述主控板包括FPGA部分和DSP部分；

所述无线模块有六种工作模式，分别为空闲模式、发送模式、接收模式、命令模式、休眠模式和关断模式，无线模块在一个时间只能处于一种模式；

所述无线模块的型号为9XTend，支持硬件关断和软件休眠模式；当把无线模块的SHDN引脚电平置为低电平后，无线模块将进入硬件关断模式；在无线模块的SHDN引脚电平置高以后，无线模块将进行复位，经过至多100ms的时间进入空闲模式状态。

2.根据权利要求1所述的智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，其特征在于，所述信号采集板包括传声器、调理电路、AD转换芯片，上述各器件顺次连接；所述传声器采集6路声音信号，其将声音信号转换为模拟电信号；所述调理电路对模拟电信号滤波，偏置和放大后，传送至所述AD转换芯片，转换为16位的数字信号。

3.根据权利要求1或2所述的智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，其特征在于，所述FPGA部分包含FPGA芯片、USB通信接口、GPS模块、射频无线模块、SRAM模块和FLASH模块，通过对FPGA编程实现模块的控制和协调工作；所述DSP部分包含DSP芯片、USB通信接口、FLASH程序存储模块、SDRAM模块，采用C语言编程实现DSP芯片对这些模块的控制；同时，在主控板上完成FPGA和DSP之间的通信。

4.根据权利要求2所述的智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，其特征在于，所述AD转换芯片经过隔离芯片将信号传给主控板，所述信号采集板和主控板通过接插件连接；所述信号采集板上设置第一电源模块，对采集板进行供电，并且实现智能休眠控电。

5.根据权利要求4所述的智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，其特征在于，所述第一电源模块包括继电器，该继电器的型号为DSP1A，所述主控板中的FPGA通过算法分析，对该继电器进行控制，改变芯片的工作状态；

所述该继电器用于直接关断DC24V的直流电，其中5，6脚为电压输入、输出引脚，相当于开关的两个引脚；1，4引脚接+5V直流电，为芯片使用要求，2，3引脚为控制引脚，2，3引脚通过三极管与地相连，三极管的B端受FPGA控制，当2，3引脚为低电平时，5，6引脚导通；当三极管的B端，即/SET与/RESET引脚为高电平时，三极管C、E导通。

6.根据权利要求3所述的智能休眠控电低能耗无线传感器网络声定位节点，其特征在于，所述主控板上设置第二电源模块，对主控板进行供电，该第二电源模块的型号为IRF7404，具有G端、引脚S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4；所述第二电源模块也受FPGA的控制，根据实际需求，通过算法实现芯片工作状态的转换；

G端为芯片的使能端，当G端为高电平时，S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4导通，当G端为低电平时，S1、S2、S3与D1、D2、D3、D4阻断，起到开关作用。