CN104284403A

CN104284403A - 一种无线传感器网络低功耗节点设计方法

Info

Publication number: CN104284403A
Application number: CN201310292415.6A
Authority: CN
Inventors: 李长庚; 卢浩昌; 廖东平
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-14

Abstract

本发明是一种能够实时监控区域温湿度值的无线传感器网络低功耗节点系统。该系统主要由处理器模块、无线通信模块、传感器模块、能量供应模块和I/O口模块组成，传感器模块采集监测区域内的温湿度数据值，经处理器模块处理后由无线通信模块发送给用户。本发明基于FPGA平台，采用SoPC技术设计了最小Nios‖系统，添加了自行设计的IP核，包括接口驱动程序、数据采集程序、射频通信和数据收发程序等，使节点绝大部分时间处于睡眠状态，从而有效降低了干扰，提高了节点性能。在组网方面，基于ZigBee协议，构建了一个小型无传感器网络，并设计了一款上位机软件，实现了对节点数据采集和监控分析。本发明的节点具有低功耗，低成本，强大的可扩展性和计算能力，可满足无线传感器网络在各个领域的应用需求。

Description

一种无线传感器网络低功耗节点设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络低功耗的节点设计方法。

背景技术

目前，国内的多数应用都是以Microchip或Freescale公司所提供的开发套件为平台，进行定位和组网等功能的研究，这种研究是把精力放在上层应用程序算法的开发上。少数有自己的硬件平台，这种硬件平台是参考了业内公司所提供的解决方案的典型电路的，并且其软件仍是在Microchip或Freescale公司所提供的底层协议API接口基础之上来开发实现的。国内外对于无线传感器网络节点设计普遍采用8位或16位高性能单片机和射频收发机的基本架构，节点可以完成数据采集、发送、接收和处理等基本任务，但数据处理能力弱，速率低，灵活性差，不足以达到广泛应用的无线传感器网络在各个领域的要求。

发明内容

为了解决现有无线传感器网络节点的不足，本发明提供一种基于FPGA的无线传感器网络节点设计方案，FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的成果，它具有非常强大的并行数据处理能力，数据容量大，处理效率高，内部结构灵活，可重复配置等优点，能进一步改善节点的功能，实现一个可重复编程，配置自由而且低功耗、低成本的无线传感器网络。

无线传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其中，传感器模块主要负责采集监测区域内的数据，同时对数据进行转换，将模拟信号转换成数字信号；处理器模块负责控制节点的工作，除了存储和处理本身采集到的数据外，还需接收或者转发其它节点发来的数据或者指令；无线通信模块主要负责与其它节点间的通信，将数据或控制信息传送到处理器，或者将处理器的信息或数据发送到其它节点；能量供应模块主要提供节点所需的能量，一般采用一次性的电池供电。

无线传感器网络节点的软件系统用于控制底层硬件的工作行为，为各种算法、协议的设计提供一个可控的操作环境，同时便于用户有效管理网络，实现网络的自组织、协作、安全和能量优化等功能，从而降低无线传感器网络的使用复杂度。本次发明在FPGA平台上采用SoPC技术设计了代码精简的最小系统，编写了个系统模块驱动程序，其中包括UART驱动程序，传感器模块数据采集程序和射频通信程序，在进一步分析Zigbee协议组网的原理及过程的基础上，实现了节点具有数据采集和无线通信的功能，并开发了上位机软件，该软件能对节点采集的数据进行分析处理。

本发明节点系统的工作步骤：

无线传感器网络的组建是由事前被定义为协调器的主节点来建立的，主节点承担协调器的任务，从节点申请入网。一开始节点都需要进行初始化，并确定网络信道，传播速率和波特率等。然后由主节点开始组建网络，一旦子节点入网成功后，协调器可以对网络中任一节点发出采集数据的任务。收到任务的节点将开始工作，MCU发送启动命令给传感器模块，在采集数据完后，MCU以ACK命令来确认，并开始传输数据，将数保存在据寄存器中，等待下一步发送命令。

当子节点收到协调器发出传送送数据的请求后，MCU经SPI总线将数据传到射频模块，射频模块将数据处理并选择射频信道将数据发送给协调器后休眠状态。协调器将接收到的数据处理后经串口发送到PC机上显示。用户通过上位机软件的监测，可以实时观察到温湿度的变化情况。

本发明的有益效果是：从表1可以看出，相对于国内典型节点，本发明的节点功耗非常低，应用此节点组建的无线传感器网络的网络寿命可以得到有效的提高，且节点整体性能优良，具备低成本，微型化，适用范围广，可扩展性和计算能力强等优势，满足复杂多变的监测任务的需求，能快速应用于无线传感器网络的多种具体应用中。

表1

附图、表说明

图1是本发明的节点硬件体系结构框图。

图2是本发明节点中的处理器模块电路图。

图3是本发明节点中的处理器模块与射频模块连接图。

图4是本发明节点中的射频模块电路图。

图5是本发明节点中的硬件PCB图。

图6是本发明节点的最小硬件系统框图。

图7是本发明节点的组网测试效果图。

下面结合附图、表和实施方式对本发明进一步说明。

具体实施方式

图1所示为节点硬件体系结构框图，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。传感器模块主要负责采集监测区域内的数据，同时对数据进行转换；处理器模块负责控制节点的工作，除了存储和处理本身采集到的数据外，还需接收或者转发其它节点发来的数据或者指令；无线通信模块主要负责与其它节点间的通信，将数据或控制信息传送到处理器，或者将处理器的信息或数据发送到其它节点；能量供应模块主要提供节点所需的能量。

图2所示为处理器配置电路，其中还包括50M的晶振电路，为处理器提供精确的时钟频率；两个锁相环回路，提供时钟倍频和相移。配置芯片采用EPCS4，存储空间为4Mbit，足以容纳整个系统配置代码，通过DCLK，DATAO，ASDO和nCSO四脚对FPGA器件进行配置。DCLK是串行时钟输入端，由FPGA器件提供串行接口所需的时钟频率；DATAO是串行数据输出端，在时钟下降沿读出数据；ASDO是控制信号输入端，在时钟上升沿锁存数据；nCSO是使能输入端，低电平有效。

系统一上电，微处理器和配置芯片进入复位阶段，nSTATUS端为低电平，表示正在复位。同时CONF_DONE也为低电平，表示芯片还没被配置。复位后，微处理器释放nSTATUS端，在上拉电阻的作用下该端变为高电平，芯片进入到配置状态。FPGA芯片内部产生时钟信号DCLK，当DCLK下降沿时，输出控制信号同时使配置芯片输出数据；当DCLK上升沿时，锁存配置数据以及使配置芯片锁存控制信号。当接收完所有配置数据后，微处理器释放nCFGD端，开始进入初始化阶段。初始化阶段一般需要136个时钟周期才能完成，然后进入用户状态。

图3所示为FPGA芯片EPlC12Q240C8与射频模块芯片CC1100的连接图。CC1100与微处理器EPlC12Q240C8之间通过四线的SPI兼容接口进行配置，数据的传输和交换。SPI接口由以下四线组成：SCLK为时钟信号，由主设备产生；CSn为片选信号，由主设备控制；SI为主设备数据输出，从设备数据输入；SO为主设备数据输入，从设备数据输出。CSn为低电平有效，在地址与数据转换期间，CSn脚必须保持为低电平，否则转换取消。SCLK串行时钟信号由微处理器提供，当CSn为低电平时，处理器通过控制SCLK信号进行数据的读取与写入。当CC1100处于接收模式时，从SI口接收地址和数据，同时将状态信息从SO口输出；当CC1100处于发送模式时，从SI口接收地址，数据和状态信息从SO口输出。GDO0和GDO2是状态输出口，可以通过读取状态信息监测CC1100的工作，为调试和测试工作提供了方便。TE为发送使能，RE为接收使能，用于控制功率放大时数据的发送与接送。这为后期进行低功耗测试做准备，可通过控制CC1100的工作模式来进一步降低节点的功耗。

图4所示为节点中的射频模块电路图，射频芯片CC1100只需要少量的外部元件即可正常工作。电路结构主要为匹配网络、晶振和天线。偏阻器R171用来设置一个精确的偏电流。C131，C121，L121和L131形成一个平衡转换器，用以将CC1100上的微分RF端口转换成单端的RF信号，C124也用在直流模块上。CC1100同一个合适LC网络一起，平衡转换器元件也将阻抗转换以匹配50欧的天线或电缆。晶体振荡器使用一个带两个负载电容(C81和C101)的外部晶体。晶体必须连接在XOSC_01和XOSC_02脚之间，大小为26MHz-28MHz频率范围。

图5所示为本发明节点中的硬件PCB图。无线传感器网络节点的工作频率比较高，射频模块PCB设计的优劣对射频通信性能有很大的影响，除了天线的尺寸设计和射频电路阻抗匹配电路设计外，对射频性能产生最大影响的就是PCB的抗干扰设计。本发明节点的PCB设计主要用到以下措施：(1)分区域布局布线。本设计将无线通信模块与其它模块分开，处在一个单独区域内，四周和底层都用底线包围，最后用一个0欧姆的电阻与其它模块的地线连接，从而减少干扰；(2)射频区域附近不布线，减少其它线路对射频区域的干扰；(3)晶振四周和底线都是地线，保证时钟的准确性；(4)所有逻辑信号引脚通过电容与地隔离，电容一端尽量靠近引脚，另一端就近接地；(5)电源线尽量宽，以减小阻抗。(6)过孔数量要少。

图6所示为本发明节点的最小硬件系统框图。目标芯片为Cyclone(EPlC12)，时钟为外置时钟50MHz，系统主要由CPU，下载模式，储存器和PIO口4大部分组成，各部分都有对应的地址和中断。与单片机，ARM和AVR组成的系统相比，此系统非常简洁，没有复杂的结构，对各部分进行编程也十分简单。

图7所示为本发明节点的组网测试效果图。主节点负责组建网络，子节点加入网络成功之后就可以向主节点发送数据；图中所示为节点1所发送的温度信息的数据情况；主节点接收的数据会通过串口发送到计算机并以十六进制格式显示；待接收到一定的温度信息之后，点击绘制温度曲线会可以观察到温度的动态变化，同时将数据存入指定的文档以便分析处理。

Claims

1.一种无线传感器网络低功耗节点系统，低功耗节点系统，包括FPGA芯片匹配电路，射频电路，能量供应电路，传感器电路，其特征是：还包括系统下载配置电路，扩展I/O口电路，晶振电路，电压稳定电路及电压转换电路，FPGA芯片通过两线三态门接口与温湿度传感器电路连接，通过四线的SPI接口与射频电路连接，扩展I/O口电路用于系统测试与升级，通过控制传感器与射频电路的工作，使其绝大部分时间都处于休眠模式下，从而达到降低节点功耗的目的。

2.根据权利要求1所述的低功耗节点系统，其特征是：传感器电路中，数据三态门接口与10k欧姆的上拉电阻相接，通过上拉电路的作用，实现接口的双向控制，一旦处理器释放该接口，则传感器即可控制，另一时钟接口与处理器的时钟输出口相连，由处理器提供传感器所需的时钟频率，接地端接模拟地，与数字地模块通过一个0欧姆的电阻相连，传感器在测量温湿度之后自动转入休眠模式，直到下一命令的到来。

3.根据权利要求1所述的低功耗节点系统，其特征是：射频电路中，通过偏阻器用来设置一个精确的偏电流，两个电容和两个电感形成一个平衡转换器，用以将射频芯片CC1100上的微分RF端口转换成单端的RF信号，也将阻抗转换以匹配50欧的天线或电缆，晶体振荡器使用一个带两个负载电容的外部晶体，大小为26MHz-28MHz频率范围，振荡器为在晶体的平行模式操作而设计，简单的匹配电路，使得模块集成度高，同时也减少了节点的体积，增强节点的隐蔽性。

4.根据权利要求1所述的低功耗节点系统的控制方法，其特征是：FPGA芯片接收到用户发送的指令，开始指示温度传感器电路测量周围环境的温湿度度值，当测量完毕后，通过上拉电阻告知处理器并开始传输数据，传输完毕后，传感器进入休眠模式，处理器将数据压缩解码后传输到射频模块，射频电路将数据发送到汇聚节点，用户通过上位机软件接收节点数据。

5.根据权利要求1所述的低功耗节点系统的控制方法，其特征是：用户通过发送指令控制节点在收发，监听和休眠三种工作模式之间转换，而使节点绝大部分时间处于休眠模式以降低节点系统的功耗。