CN104333915A

CN104333915A - 一种基于Arduino的无线传感器网络节点

Info

Publication number: CN104333915A
Application number: CN201410598464.7A
Authority: CN
Inventors: 张茜; 陈积明; 程鹏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明公开一种基于Arduino的无线传感器网络节点，节点由微控制器、太阳能板、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、若干传感器探头、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、防水盒和天线构成。本发明节点改进了ArduinoUno的设计，降低了系统的能耗和成本，充分考虑到低功耗的要求，使得节点无需更换电池，可长期在户外环境下无人值守运行，大大降低了无线传感器网络节点开发、设计的周期，节点可快速大批量地部署在需要监测参数的区域。

Description

一种基于Arduino的无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，特别是一种基于Arduino的无线传感器网络节点。

背景技术

无线传感器网络由大量具有通信、计算、感知能力的节点组成，通过无线通信方式形成自组织多跳的网络系统，其目的是感知、采集和处理监测区域中对象的相关信息。无线传感器网络的特点是网络中节点数目多，通信网络常是自组织多跳网络，相对较短的通讯距离，数据传输速率低，节点能量消耗低。这些特点使得无线传感器网络适合部署在需要大范围、大规模的参数监测场合。

无线传感器网络中的节点具有一定的数据处理和存储的能力，在能量上常常受限，配有无线数据收发端，根据需要增加传感器以测量某些参数。节点的性能决定了网络的成本、可靠性、通用性。本发明给出了一种低成本、低能耗、软硬件裁剪性好、支持多种传感器、易于二次开发的基于Arduino的无线传感器网络节点。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、低能耗、软硬件裁剪性好、支持多种传感器、易于二次开发的无线传感网络节点，支持多跳、自组网、数据加密、故障自动恢复的通讯协议。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于Arduino的无线传感器网络节点，节点由微控制器、太阳能板、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、若干传感器探头、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、防水盒和天线构成；

所述稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、微控制器LED指示灯与微控制器相连；天线、射频模块LED指示灯与射频模块相连；稳压模块、太阳能板、可充电锂电池与太阳能充电模块相连；每个传感器探头连接一种传感器，所述传感器选自温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向雨量传感器、危险气体传感器或PM10传感器；微控制器、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、射频模块LED指示灯和微控制器LED指示灯置于防水盒内，天线、太阳能板和传感器探头置于防水盒外；

微控制器基于Arduino Uno，芯片型号为Atmega328p，使用14.7456MHz晶振，工作电压3.3V；微控制器上电后，先完成初始化工作，然后进入休眠操作，微控制器进入低功耗模式，直到实时时钟模块发送中断信号，进入唤醒操作，微控制器进入正常模式，控制能量管理模块打开GPS定位模块和传感器的电源，进入传感器数据采样操作，微控制器读取GPS和传感器的数据后，生成数据包，再控制能量管理模块切断GPS定位模块和传感器的电源，进入发送数据操作，射频模块发送数据，发送结束后微控制器进入休眠操作，完成微控制器一次数据发送流程；

射频模块选自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率为115200波特率；太阳能充电模块给可充电锂电池充电的同时给稳压模块供电，稳压模块给实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、微控制器和传感器供电；实时时钟模块内含有纽扣电池，用来记录传感器测量数据的时刻和发送中断信号唤醒微控制器；射频模块负责传感器数据包的发送和接收；GPS定位模块给出节点的工作位置；能量管理模块控制射频模块、GPS定位模块、传感器电源的开断，同时配有升压电路给工作在5V的传感器供电，能量管理模块控制升压电路的开断；射频模块LED指示灯显示射频模块的工作状态；微控制器LED指示灯显示微控制器的工作状态；

所述防水盒的面板上配有7个接口，分别是天线接口，电池开关，程序下载接口，两个传感器接口，太阳能板和USB复用充电口，通气阀；天线接口用于将天线与射频模块相连；程序下载接口与微控制器的串口相连；电池开关控制太阳能充电模块和稳压模块的开断；程序下载接口仅在电池开关断开的时候实现程序下载功能；传感器接口用于将传感器探头与微控制器相连，传感器探头插到传感器接口上；太阳能板和USB复用充电口将太阳能板或USB充电器和太阳能充电模块相连，支持输出5.5V~6V电压的太阳能板和USB充电器充电；通气阀保证防水盒内外气压平衡，同时水汽不会进入盒内。

进一步地，所述射频模块的通讯协议选用ZigBee，支持多跳、自组网、数据加密、故障自动恢复、休眠等操作；根据射频模块节点类型参数设置的不同，节点分为终端节点和路由节点。

本发明的有益效果是：用户选好所述节点支持的传感器后，只需设计对应传感器的传感器扩展板和传感器探针，无需更改节点的设计，把传感器扩展板安装到防水盒内，传感器探针安装到防水盒面板上的传感器接口上，节点即可正常组网通信；同时微控制器基于Arduino Uno，芯片型号为Atmega328p，使用14.7456MHz晶振，工作电压3.3V。Arduino Uno工作在5V，Arduino Uno与工作在3.3V的传感器和射频模块进行通讯时要进行电压转换，会增加系统能耗和成本，而本发明无需进行电压转换，稳压模块输出3.3V直接给微控制器、传感器和射频模块供电。如果把Arduino Uno的工作电压从5V降低到3.3V，Arduino Uno的16MHz晶振超出了3.3V工作电压支持的范围，必须要降低晶振的频率。本发明选用了14.7456MHz晶振，这样微控制器在3.3V工作电压下串口通信速率能达到115200波特率。基于Arduino的微控制器提供多种传感器和射频模块的第三方库文件，修改库文件即可快速完成二次开发。同时，基于Arduino的微控制器下载固件无需使用专用烧写器，把新的固件发送给微控制器的串口即可更新固件，大大降低了无线传感器网络节点开发、设计的周期，可快速地、大批量地把节点部署在需要监测参数的区域。

附图说明

图1是节点硬件框图；

图2是节点的工作流程图；

图3是终端节点和路由节点读取GPS和传感器数据并发送的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

从节点的硬件上，充分考虑到硬件的裁剪性、支持多种传感器的功能。如图1所示，节点包括微控制器、太阳能板、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、若干传感器探头、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、防水盒和天线，支持的传感器有温湿度、大气压力、风速风向雨量、危险气体和PM10等。当有太阳光时，太阳能板给太阳能充电模块供电，太阳能充电模块给可充电锂电池充电的同时，给稳压模块供电；当没有太阳光时，可充电锂电池通过太阳能充电模块给稳压模块供电。即使在夜晚或雨天，节点也有能量继续工作。节点的硬件设计充分考虑到低功耗的要求，可长期在户外环境下无人值守运行。节点的硬件详细内容包括以下三个部分：

（1）稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、微控制器LED指示灯与微控制器相连。天线、射频模块LED指示灯与射频模块相连。稳压模块、太阳能板、可充电锂电池与太阳能充电模块相连。所述每个传感器探头连接一种传感器，所述传感器选自温湿度、大气压力、风速风向雨量、危险气体或PM10传感器。微控制器、太阳能充电模块、可充电锂电池、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、射频模块LED指示灯和微控制器LED指示灯置于防水盒内，天线、太阳能板和传感器探头置于防水盒外。根据需要可设计支持不同的传感器探头的传感器扩展板，并安装在节点上。只需更换扩展板和传感器探头，就能实现传感器更换。

（2）微控制器基于Arduino Uno，芯片型号为Atmega328p，使用14.7456MHz晶振，工作电压3.3V。所述的温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向雨量传感器、射频模块工作在3.3V，Arduino Uno工作在5V，Arduino Uno使用所述传感器和射频模块要进行电压转换，会增加系统能耗和成本，而本发明无需进行电压转换，稳压模块输出3.3V直接给微控制器、所述传感器和射频模块供电。如果把Arduino Uno的工作电压从5V降低到3.3V，Arduino Uno的16MHz晶振超出了3.3V工作电压支持的范围，必须要降低晶振的频率。本发明选用了14.7456MHz晶振，这样微控制器在3.3V工作电压下串口通信速率能达到115200波特率。基于Arduino的微控制器提供多种传感器和射频模块的第三方库文件，修改库文件即可快速完成二次开发。同时，基于Arduino的微控制器下载固件无需使用专用烧写器，把新的固件发送给微控制器的串口即可更新固件。

射频模块选自XBee S2或XBee PRO S2B，其串口通信速率为115200波特率，负责传感器数据包的发送和接收；太阳能充电模块给可充电锂电池充电的同时给稳压模块供电，太阳能充电模块支持的太阳能输入电压范围为5.5V~6V，同时支持USB口充电，支持的芯片的型号包括但不限于MCP73871或CN3065，可充电锂电池电压为4.2V，容量为6000mAh；稳压模块输出3.3V直流电压给实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、微控制器和传感器供电，支持的芯片的型号包括但不限于MCP1703CB；实时时钟模块内含有纽扣电池，用来记录传感器测量数据的时刻和发送中断信号唤醒微控制器，支持的芯片的型号包括但不限于DS3231；GPS定位模块给出节点的工作位置；能量管理模块包括N沟道和P沟道MOS管，控制射频模块、GPS定位模块和传感器电源的开断，支持的芯片型号包括但不限于SI2302、SI2303和SI2305，同时配有升压电路给工作在5V的传感器供电，能量管理模块控制升压电路的开断，升压电路支持的芯片型号包括但不限于ISL97516；射频模块LED指示灯显示射频模块的工作状态；微控制器LED指示灯显示微控制器的工作状态。

（3）防水盒的面板上配有7个接口，分别是天线接口，电池开关，程序下载接口，两个传感器接口，太阳能板和USB复用充电口，通气阀。天线接口用于将天线与射频模块相连，接口的型号为RPSMA母头；程序下载接口与微控制器的串口相连，接口的型号为6芯螺纹款后装式插座；电池开关控制太阳能充电模块和稳压模块的开断，开关的型号为单断点平圆形开关；程序下载接口仅在电池开关断开的时候实现程序下载功能；传感器接口用于将传感器探头与微控制器相连，传感器探头插到传感器接口上，接口的型号为6芯螺纹款后装式插座；太阳能板和USB复用充电口将太阳能板或USB充电器和太阳能充电模块相连，支持输出5.5V~6V电压的太阳能板和USB充电器充电，接口的型号为6芯螺纹款后装式插座；通气阀保证防水盒内外气压平衡，同时水汽不会进入盒内。

从节点的工作流程上，充分考虑到低功耗的要求。如图2所示，节点的工作流程分三个部分，只有第一个流程完成后才能执行第二个流程；同样只有第一、第二个流程完成后才能执行第三个流程。第一和第二个流程每个节点仅需执行一次，之后节点就一直执行第三个流程：

（1）第一个流程：Arduino引导流程。本发明的节点需使用Arduino ISP烧写Arduino引导固件。Arduino引导固件保存在微控制器Boot Flash区域内，目的是监听微控制器的串口是否有新发来的程序。如果监听到有新的程序，Arduino引导固件会更新非Boot Flash区域内的程序。更新程序的同时不会覆盖Arduino引导固件，这样节点无需使用专用烧写器，仅仅使用微控制器内置的串口就能完成程序的更新。这样降低了系统的成本，无需购买价格昂贵的专用烧写器。

（2）第二个流程：射频模块和实时时钟模块初始化流程。节点通信前，需要设置射频模块的参数，包括网络的ID号、节点的ID号、扫描频段、节点类型、休眠时间、网络密码、串口通信速率、射频模块LED闪烁间隔等。网络ID号参数确保网络的唯一性，不同的网络必须使用不同的网络ID号以避免冲突；节点的ID号参数用于区分不同的节点；射频模块支持16个工作频段，扫描频段参数决定射频模块上电后扫描哪些频段；根据节点类型参数设置的不同，节点可分为终端节点和路由节点，终端节点可以休眠，但不能转发其他节点的数据，终端节点的数据先要发给负责其工作的路由节点，由路由节点进一步把数据发送给目标节点，同时终端节点从路由节点那边接收数据，路由节点不能休眠，可以转发终端节点和路由节点的数据；休眠时间参数决定终端节点的休眠时间和路由节点保存将要发给其负责的终端节点数据的时间；网络密码参数包括两项，一个是新节点加入网络的密码，一个是节点加入网络后数据包加密的密码，数据包从一个节点到另一个节点后，数据包分别进行了加密和解密的操作，使用的就是这个密码；串口通信速率参数决定微控制器串口和射频模块通讯的速率，最大支持115200波特率，相同的网络ID号中允许节点的射频模块使用不同的串口通讯速率，不会影响到数据的传输，但为了方便测试起见，所有节点的射频模块串口通信速率都设置为115200波特率；射频模块LED闪烁间隔参数决定了射频模块LED灯闪烁的间隔。对于本发明的实时时钟模块，需要写入当前系统时间，实时时钟模块里的纽扣电池保证节点即使断电，模块内仍有时间信息。

（3）第三个流程：如图3所示，微控制器读取GPS定位模块和传感器的数据并通过射频模块发送到目标节点。为了降低节点的功耗，发送传感器数据的路由节点和终端节点都采取了能量管理策略。

终端节点的在第三个流程中操作如下：

节点的初始化操作：设置数据包的格式和报头信息，初始化传感器接口和射频模块，设定实时时钟模块的中断间隔，也就是休眠时间。

休眠操作：射频模块进入休眠模式，微控制器进入低功耗模式，此时射频模块不会发送任何数据，微控制器不会读取传感器数据。

唤醒操作：实时时钟模块发出信号触发微控制器的中断响应程序，微控制器从低功耗模式切换到正常模式。

传感器数据采样操作：微控制器控制能量管理模块打开GPS定位模块和传感器电源开关，读取GPS和传感器的数据。读完数据后，微控制器控制能量管理模块切断GPS定位模块和传感器的电源。

发送数据操作：微控制器唤醒射频通信模块，射频模块把数据包发送出去。完成数据发送后，终端节点进入休眠操作。

路由节点的在第三个流程中操作如下：

休眠操作：微控制器进入低功耗模式，微控制器不会读取传感器数据。射频模块继续工作。

发送数据操作：射频模块找到到达目标节点的最佳路径。微控制器把自身传感器数据包发送给射频模块，射频模块按照最佳路径把数据通过其他路由节点转发到目标节点。完成数据发送后，微控制器进入休眠操作。对于路由节点负责的多个终端节点，路由节点的射频模块同样按照最佳路径把接收到的终端节点数据转发给其他路由节点，这些数据最终到达目标节点。

本发明节点完成Arduino引导流程后，节点即可通过防水盒面板上的程序下载接口更新程序。完成Arduino引导流程后，节点必须执行一次射频模块和实时时钟模块初始化流程，射频模块和实时时钟模块在此之后就能正常工作。最后，节点一直工作在微控制器读取GPS定位模块和传感器的数据并通过射频模块发送到目标节点的流程。

从节点的射频模块上，充分考虑到支持多跳、自组网、数据加密、故障自动恢复、休眠等特性。射频模块型号为XBee S2或XBee PRO S2B，使用ZigBee通讯协议，支持多跳、自组网、故障自动恢复的功能。发送相应的命令，即可设置射频模块的其他功能：限制入网时间、加入网络的密码、数据通讯的密码等安全选项；休眠模式和休眠时间选项；路由方式选项；发射功率选项；串口通讯速率选项。其中根据通讯距离的要求，可选择低功耗近距离传输的XBee S2或是高能耗远距离传输的XBee PRO S2B。

Claims

1.一种基于Arduino的无线传感器网络节点，其特征在于：节点由微控制器、太阳能板、太阳能充电模块、可充电锂电池、稳压模块、实时时钟模块、射频模块、GPS定位模块、若干传感器探头、能量管理模块、射频模块LED指示灯、微控制器LED指示灯、防水盒和天线构成；

2.根据权利要求1所述的于Arduino的无线传感器网络节点，其特征在于：所述射频模块的通讯协议选用ZigBee，支持多跳、自组网、数据加密、故障自动恢复、休眠等操作；根据射频模块节点类型参数设置的不同，节点分为终端节点和路由节点。