CN106572183A - 一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，属于仪器仪表检测技术领域。所述系统中无线传感器节点包括底层节点、路由节点和协调节点，所述底层节点分布在各个监控点，根据Zigbee协议通过路由节点和协调节点与上位机通信，实现网络的实时控制。所述的每一个传感器节点分别由基础电路、核心模块、功能电路和电源管理模块构成。本发明基于PIC单片机采用控制负载电源通断的方式降低了近70％的节点平均功耗。在节点中加入休眠机制，并且定时控制节点负载电源的通断。具有微型化、低功耗、低成本等特性。节点具有一定的抗干扰性和适应性的高鲁棒性。节点预留扩展接口，可扩展性高。

Description

一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统
技术领域
本发明属于仪器仪表检测技术领域，具体涉及一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统。
背景技术
随着计算机、信息科学技术水平的发展，军事国防、精细农业、医疗健康、安全监控、环保监测、建筑领域、交通流量、智能家居等不同领域的智能化需求也日益提高。随之而来的信息采集、获取，数据传递、存储等问题凸显出来。无线传感器网络(Wireless SensorNetwork，WSN)就是能够在无人值守的监测区域内部署众多的微小廉价的传感器节点，通过无线通信方式形成一个多跳的、环境自适应的“智能”测控网络系统。它可应用于布线、电源供给困难以及人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)，尤其是发生地震、水灾、强热带风暴等紧急情况下，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被摧毁或无法正常工作的场合。
无线传感器网络主要由若干个无线传感器节点(简称节点)及基站组成，节点以特定的方式布局，通过协作来感知、采集和处理网络覆盖的区域被感知对象的信息，然后以无线的方式将数据信息传送给基站。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽和准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络使人们在任何时候、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息成为可能。
无线传感器网络节点一般部署在人不宜到达和接触的区域，这就使传感器网络节点的维护面临着很大的挑战。同时要求节点具有信号转换、收集、储存、发射、接收等综合功能，要完成这诸多功能的无线传感器节点长期处于工作状态，因此对节点的电源能量消耗提出了苛刻的要求。无线传感器节点作为微小器件，只能配备有限的电源。考虑极端情况：在某些应用场合下，更换电源是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计需要首要考虑的问题。为了解决这类问题，许多无线传感器网络方面的研究人员都注重研究新的节约功耗的协议和算法，这些协议和算法需要传感器网络平台进行实验和验证。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前传感器节点的操作系统设计了动态能量管理(Dynamic Power Management，DPM)、动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling，DVS)模块，采用PIC单片机对节点工作状态进行定时，只在规定的时间内工作，采集信息，并向基站发送采集的数据信息，其他时间处于睡眠状态来节约电能，这样在一定程度上减少了耗能。但是还没有达到无线传感器网络极限节能的要求。
发明内容
在无线传感器网络的实际应用中，节点的功耗直接决定了节点和网络的运行寿命。因此，网络节点低功耗性能的改进和优化一直是研究和开发无线传感器网络的重点。针对基于JN5148芯片开发的无线传感器网络的超低功耗问题，本发明提出一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统。
本发明提供的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，所述传感器系统包括底层节点、路由节点和协调节点，统称为节点。所述底层节点分布在各个监控点，用于采集和上传所需数据参数，并根据JNET协议通过路由节点按照指定路径以多跳的方式实时地将采集的数据参数上传至协调节点，同时协调节点通过ARM控制器与上位机通信，实现网络的实时控制。
该系统基于JN5148芯片设计制作无线传感器网络节点硬件电路，包括无线通信模块的外围电路、电源管理电路。其中无线通信模块的外围电路包括：基础电路(看门狗电路、信号转换模块)；功能电路(显示模块、传感器模块)；见附图5节点总体硬件构成、附图7UART-USB转换电路、附图8Watchdog(看门狗)电路、附图13LCD显示电路。电源电路包括：基础供电模块、电源管理模块、时钟检测模块，见附图5节点总体硬件构成、附图9PIC单片机电源管理电路、附图10供电电压状态检测电路、附图11负载开关电路、附图12IDS1302时钟检测电路。其中基于PIC单片机设计了硬件定时控制电路，采用控制负载电源通断的方式降低了近70％的节点平均功耗。在节点中加入休眠机制，并且定时控制节点负载电源的通断。具有微型化、低功耗、低成本等特性。节点具有一定的抗干扰性和高鲁棒性。节点预留扩展接口，可扩展性高。
所述的底层节点、路由节点和协调节点，分别由基础电路、核心模块、功能部件和电源管理模块构成。所述核心模块包括无线收发模块和处理器模块两部分，无线收发模块负责无线收发数据，处理器模块用于传感器数据的采集和存储，控制数据的收发和任务管理；所述基础电路包括看门狗模块和信号转换模块两个部分，看门口模块用于保证程序运行和手动复位，所述信号转换模块用于实现节电与控制器的通信；所述电源管理模块包括基础供电电路、电源管理电路和时钟检测电路；所述功能部件包括显示模块和传感器模块两个部分，均为可插拔的分部模块形式；显示模块用于实时显示该节点当时的状态，传感器模块用于检测当前的环境信息。
所述处理器模块选取JN5148系列芯片。
所述看门狗模块以MAX706RESA作为核心芯片。
本发明采用JNET无线传感器网络，可以长时间、实时、有效地监控环境参数，主控节点存储、处理网络数据，用于后期分析和系统辨识。
本发明的优点在于：
1.实时采集数据，主要包括温度、湿度、风量风向、甲烷浓度等参数。根据建模的需要，同时为避免意外情况的发生，数据应实时传送至客户端。
2.客户端对网络系统的有效控制。不同区域、不同功能的节点都能接受上位机或者主节点直接控制。
3.控制器的数据存储和处理。作为数据汇聚的中心，控制器对数据进行实时处理，包括的数据采集，显示，存储，控制等内容。
4.节点低功耗。由于节点采用电池供电，能量低，需采用低能耗策略提高网络的运行周期。
5.可靠性高。相对于室外的空旷环境，室内空间存在例如wifi等大量其他无线信号的干扰，因此，室内环境对网络通信协议的抗干扰能力和安全性能提出了更高的要求。网络必须具有较高的可靠性，以保证监控参数的正确性和有效性。
6.网络以及设备的扩展性强。应用场所的改变必然导致网络的结构和覆盖范围的变化，因此需要较强的网络扩展性以满足网络适时地调整；应用内容的改变必然导致节点硬件的更新，因此需要较强的硬件扩展性以满足不用应用的需求。
7.节点价格低廉，携带和安装方便。
附图说明
图1为底层节点休眠控制流程图。
图2为PIC单片机电源定时控制方法流程图。
图3为电源控制时序图。
图4为智能无线网络传感器系统的网络系统结构图。
图5为节点总体硬件构成示意图。
图6为JN5148芯片的最小系统电路图。
图7为UART-USB转换电路结构图；
图8为Watchdog电路结构图。
图9为PIC单片机电源管理电路结构图。
图10为供电电压的状态检测电路结构图。
图11为负载开关电路结构图。
图12为IDS1302时钟电路结构图。
图13为LCD显示电路结构图。
图14为温湿度传感器电路结构图。
图15为BASIC2440开发板结构框图。
图16为实施例中网路节点布置图。
图17为实施例中节点连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，包括底层节点、路由节点和协调节点，统称为节点。为了增加节点的工作时间，底层节点基于JN5148芯片实现JNET网络支持软件休眠。但是由于路由节点需要实时转发底层节点传送的传感数据，而协调节点必须实时保证网络的正常工作，因此为了保证网络的可靠性，协议规定只有底层节点可以进行软件休眠。JN5148芯片节点休眠的状态可分为3种，分别是：
(1)低度休眠(Doze Mode)：在低度休眠状态下只有CPU断电并停止工作，其他的功能部件均正常运行。
(2)中度休眠(Sleep Mode)：中度休眠也包括2个状态模式，分别是RAM上电和RAM掉电模式。在RAM上电模式中，除RAM和VDD上电之外，其他可关断电源均掉电；在RAM掉电模式中，除VDD上电之外，其他可关断电源均断电。
(3)深度休眠(Deep Sleep Mode)：深度休眠状态下所有可关断电源均断电。
结合图1，所述底层节点进行休眠的具体控制流程为：
节点运行在Idle Task状态下，数据采集定时器溢出后，采集并发送传感器数据，直到数据发送完毕，进入低度休眠，定时器定时10秒(可根据需要调整)，定时器溢出后，节点唤醒JenOS初始化，Zigbee PRO信息恢复，数据采集定时器溢出；如此循环，实现休眠模式。
本发明提供的具有电源管理的智能无线网络传感器系统中，路由节点无法实现休眠。然而路由节点的能耗一般比底层节点大，因此在网络的运行中路由节点的工作时间往往决定了网络的运行周期。解决这个问题一种方法是给路由节点提供外接电源，另一种方法是降低路由节点本身的功耗，包括通过硬件控制电源进行定时通断来降低功耗。要实现降低路由节点本身的功耗，主要问题是如何实现整个网络的步调统一，即同时开始通断电和统一的定时时间。如果整个网络各节点步调不一致的话，网络的运行将会出现紊乱。针对以上问题，本发明采用的如下方法予以解决：
(1)通过协调节点发送统一的广播信号控制各路由节点同时进入硬件定时。
(2)虽然底层节点也有定时时钟，但是该定时时钟的精度很差，误差在20％～30％，不能实现各节点的统一定时。为此，在节点的电源管理电路设计中，电源管理模块除了为其他功能模块提供3.3V稳压电源外，还设计了PIC单片机控制的负载开关短路。所述的负载开关短路的主要功能就是通过底层节点的电源控制实现路由节点的定时“休眠”管理，从而达到节能的效果。所述PIC单片机通过控制负载开关对节点进行定时控制，如图2所示，协调节点启动网络完成，所有节点都加入网络之后，协调节点发送广播信息，通知所有节点启动PIC单片机的定时程序。各节点在收到底层节点的广播信息之后，PIC单片机产生中断，PIC单片机进入95秒的定时时序；如图3所示，定时结束后通知底层节点进入休眠或者复位模式，同时启动定时器继续定时5秒；定时结束后关断负载开关并继续定时1000秒；之后重新启动95秒定时并启动负载开关，至此智能无线网络传感器系统进入循环通断电的状态。PIC控制休眠的时间可以根据需要进行调整，一般网络中路由节点的工作时间需要略长于底层节点，以增加节点加入网络的时间用来消除节点不完全同步造成的影响。
基于JNET网络的室内空间品质参数检测系统的总体结构如图4所示，在所述的检测系统中，将低功耗的底层节点分布在室内空间的各个监控点，通过节点传感器监控室内的空气品质参数，并根据JNET协议通过路由节点按照指定的路径以多跳的方式实时地将监控的空气品质参数上传至协调节点(Coordinator)，同时为协调节点配以ARM为核心的ARM控制器(Coordinator Controller)，ARM控制器通过与协调节点之间进行USB通信实现网络的实时控制，以及数据采集、存储、显示等处理。上位机系统同样通过USB接口定期采集ARM控制器上的数据用于分析和处理。
所述底层节点以及路由节点主要用于数据的采集和上传，协调节点主要用于采集和处理相应数据同时实现网络管理，检测网络状态，解决地址冲突等。
所述的底层节点、路由节点和协调节点的整体框架如图5所示，根据JNET网络的设计需求以及节点自身的功能，所述节点主要包括基础电路、核心模块、功能部件和电源管理模块，下面详细介绍各模块的组成和功能实现。
所述核心模块分为无线收发模块和处理器模块两个部分。无线收发模块负责无线收发传感器数据。处理器模块用于传感器数据的采集和存储，控制传感器数据的收发、任务管理等工作。
所述无线收发模块是节点设计的核心内容，是协调各模块正常工作的主要工作单元。在选取无线收发模块时需要考虑以下因素：
1、模块的集成度。为了提高节点的工作效率，在同等资源条件下，高集成度可以降低其余外围电路的消耗，保证节点的高效运行。目前，许多厂家已将射频收发芯片和处理芯片(CPU)集成于无线通信模块。其中，CPU的处理能力和功耗也是影响芯片性能的重要方面。
2、模块的可扩展度。为了保证不同应用的需求，无线通信模块应具有较高的可扩展能力，集成包括SPI，I2C，UART等通信端口。
3、模块的低功耗。作为节点的核心部件，无线收发模块必须具备低功耗特性。降低芯片功耗可以减少散热量，保证芯片工作的稳定性，提高网络的运行周期。
所述处理器模块选取JN5148系列芯片。JN5148系列无线微控制器，共包含三种类型产品，分别是JN5148-M00，JN5148-M03，JN5148-M04。其中，JN5148-M00内置PCB天线通信距离短；JN5148-M03外置uFL天线，用于提升通信距离；JN5148-M04内部增加了功率放大器且外置天线，提高了收发功率和通信距离。JN5148系列产品分别支持2.4G频段基于IEEE802.15.4，JenNet(JENNIC公司自己开发的私有协议栈，支持树型拓扑)和Zigbee PRO协议的开发，保证了用户在较短的时间内以较低成本开发自己的无线应用。处理器模块的最小系统设计如图6所示，为了保证对JN5148进行的程序下载并保证芯片的正常工作，最小电路设计时需注意以下方面：
1、保证Flash设备的连通。由于Flash通过SPI引脚连接，因此在硬件设置时必须保证SPI引脚硬件配置的正确性。
2、保证实现程序下载硬件设置，为了使得编译后程序有效地导入JN5148控制器必须对复位引脚和具有复用功能引脚MISO进行正确配置。
JN5148中UART0是节点与上位机或者控制器通信的主要端口。为了提高节点的通用性，同时减小节点的体积，本发明中将UART0端口转换成USB的T型口。为了正常使用UART-USB芯片，必须在上位机中定制相应芯片的驱动。考虑到协调节点辅以WINCE6.0为操作系统的ARM9作为控制器，为了加快开发周期，保证系统稳定性，本发明以配备WinCE6.0驱动的FT232RL为核心设计转换电路。具体的UART-USB转换电路如图7所示。该转换电路的主要功能是实现节点与外部控制器之间的通信，通信包括两方面内容，一是由外部控制器为JN芯片下载程序，二是由JN芯片与外部控制器之间的消息传递。为了节省能量，电路中的FT232RL均采用USB自身电源供电。为了消除双电源对节点电路的干扰，节点将主电源与USB电源共地。
所述基础电路包括看门狗(Watchdog)模块和信号转换模块两个部分。看门狗模块主要用于保证程序的有效运行和手动复位。信号转换模块主要的功能是实现节点与主控制器的通信，与处理器模块之间实现数据交互。
所述看门狗模块的电路结构如图8所示。看门狗电路以低功耗的MAX706RESA作为核心芯片，实现以下功能：
1、低电压复位功能。对于MAX706RESA，当VCC降到2.63V以下时WDO和RST都将产生低电平信号(电压低于0.4V)，当电压恢复到2.63V以上时，WDO将直接恢复高电平(电压高于0.8*VCC)，而RST将经过140-200毫秒后恢复。
2、手动复位功能。将手动复位电路与MR端口相连，当MR端输入低电平之后RST端会相应输出低电平，而当MR端恢复高电平之后RST端会保持140-200毫秒后再恢复。
3、Watchdog复位功能。当DIO11电平变化之后的1.6s内没有再次发生改变则会产生复位功能使WDO变低进而复位信号。
所述功能部件包括LCD显示模块和传感器模块两个部分。显示模块用于实时显示该节点当时的状态，传感器模块用于检测当前的环境信息，并与处理器模块数据交互。为了有效地节省节点的资源和降低能耗，节点的功能部件设计成分部件可插拔形式，显示模块和传感器模块的使用可以根据实际应用按需配置。
为了提高节点的硬件利用率，降低功耗。本发明中将节点的功能部件，包括传感器、LCD显示模块等设计成可插拔的分部模块形式。根据不同节点的应用需求配置相应的传感器和LCD显示器，实现功能部件的按需分配。
所述LCD显示模块电路设计：为节点设计LCD显示模块电路的主要目的是为了方便现场勘查。根据现场检查的要求，当需要了解某个节点的工作状态时，在节点上安装LCD显示器可以实时观测节点信息和传感器数据，这使得针对单个节点的信息提取和节点工作状况检查更为方面。LCD显示模块电路如图13所示：LCD显示模块电路采用HGO12864作为液晶显示模块。HGO12864的主要特点包括：1、采用低功耗设计；2、通过SPI端口进行通信；3、外围电路简单，设计方便；4、模块内置驱动。
所述传感器模块电路设计：根据检测室内空气品质参数应用需求，本发明设计温湿度传感器电路如图14所示。传感器模块电路的基本功能是采集环境中温湿度参数并通过模拟的USB数据线将信息传送至节点。传感器模块与节点相对独立的设计是为了：1、扩展节点的应用范围，节点可以更换不同的传感器以满足不同应用需求；2、可以更有效的监控环境参数，外接的传感器可以充分接触环境，同时也有利于减低节点本身对检测数据的影响。传感器采用SHT11，该芯片的主要特性包括以下几个方面。1、芯片的集成度高，该芯片可以采集温湿度2种信息，芯片输出完全标定的数字信号。2、传感器的稳定性好。3、数据精准度高，每个传感器芯片都进行过精准的标定。4、模块电路简单，传感器采用两线制的拟I2C与节点通信，外围器件少。5、功耗低，体积小。
所述电源管理模块包括基础供电电路、电源管理电路和时钟检测电路。其中基础供电电路用于低电压报警和用于电源的选择和稳压，电源管理电路用于系统节能控制，时钟检测电路用于产生时钟信号。
节点通过电源管理电路对负载电源进行控制，具体实现方式如下：根据节点的工作需要设定节点的工作周期，通过单片机编程定时控制负载开关实现节点的硬件“休眠”，同时采用低电压检测芯片指示电源的工作状况。为了有效地利用可以获得的电源，本发明中设计的供电电源包括3个方面，分别是：1、外部4.75V-10V的直流电源(DC)供电；2、USB供电，标准的USB接口最多能提供5V/500mA电能；3、干电池供电。不同的供电电源通过跳线以及开关的方式进行选择，经稳压后输出3.3V电压。在电源管理电路的末端设置LED用于指示节点上电，并添加500mA自恢复保险丝以保证供电电流的正常。
单片机管理电路是整个电源管理电路的控制核心，主要功能包括4个方面：1、与JN5148模块通信，2、电源的定时管理，3、低电压报警处理，4、采集时间信号。电路的实现如图9所示。
为了实现电源控制功能，选用PIC16f723单片机进行定时、低电压报警、时钟信号采集等处理。PIC16f723是采用nano技术的超低功耗8位PIC单片机。具有以下特点：1、低功耗，32kHz、2.0V时典型值为7.0uA，2、可工作在休眠状态下，2.0V时典型值为60nA，3、基本外围电路简单，4、安全性能高等方面。
PIC16F723基本外围电路包括：P2组成了单片机的编程电路，晶振X1和X2分别用于唤醒和休眠时提供时钟信号。
在具体的实现中，RA0用于控制负载开端的通断；RA1作为用于采集电压检测信号；RA2、RA3、RA4用于实现同时钟芯片的通信；RXD，TXD和SCL，SDA与JN相连实现两者的通信；LED用于指示供电电压状态。
供电电压的状态检测电路如图10所示。该电路的主要功能：将供电电源与门限电压进行比较，通过RESET端口显示当前电压状态。因此，通过PIC单片机采集RESET，对其信号进行判断后可以产生低电压报警。供电电压的状态检测电路的核心芯片选用SP809-23，该芯片的主要特性包括：1、运行电路低，典型电流大小为1uA；2、芯片封装尺寸小，大小为2.9mm*2.3mm；3、外围电路简单。
PIC16F723控制的负载开关电路如图11所示。该电路的主要功能：通过ON引脚控制电路电压的通断。将ON引脚与PIC单片机相连，单片机根据时间设置，定时拉高或降低ON引脚的电平。但ON引脚处于低电平时，电路关断，VCC输出低电平，电压低于0.6V；反之，VCC输出高电平，大小等于VDD。负载开关电路的核心芯片选用TPS22924C，主要特性包括：1、导通电阻低，当VIN＝3.6V时，Ron＝18.3mΩ；2、芯片封装尺寸小，大小为0.9mm*1.4mm；3、静态电流小，导通状态下当VIN＝3.6V时IQ＝75uA，关断状态下当VIN＝3.6V时IQ<3.5uA；4、芯片支持的导通电流大，Imax＝2A；5、可以有效阻止浪涌电流，关断时快速释放负载电路等。该款芯片的特点充分满足低功耗负载开关的设计需要。
如图12所示DS1302时钟检测电路设计，在中央空调控制系统中，控制信号的产生必须遵循严格的时间规律，为此采集的室内品质参数也必须具备时间信息。同时，时间信息也可以作为信息存储的关键字，用于信息索引。该电路的主要功能是通过I2C引脚时钟信息上传至PIC单片机。时钟芯片选用DS1302，该芯片的主要特点是：1、芯片外围电路简单；2、芯片功耗低，当VDD＝2.0V时，导通电流I＝300nA；3、芯片采用双电源供电可以有效防止时钟信息的掉电损失；4、时钟的精度高等。由于100uF电容的电量便可以保证芯片持续1小时以上的正常运行。因此，在电路设计中，为了减小节点体积，在辅助电源引脚VCC1一端采用大电容取代电池，当主电源掉电时为芯片供电。
从图4可以看到，本发明中为了提高协调节点的数据处理和信息存储能力，网络为协调节点配置了ARM控制器。ARM控制器与协调节点一起组成整个网络的信息处理基站用于实时接收并存储数据，并设计采集界面显示各节点的运行情况。
所述ARM控制器选用BASIC2440开发板作为协调节点控制器进行基站开发。开发板的结构及其与协调节点之间的连接如图15所示。开发板核心是主频为400MHz的ARM9芯片MCU S3C2440AL。BASIC2440具有以下几个方面的优势：
1、存储空间大。开发板自带的存储器包括128M的SDRAM和1G的NAND Flash。足以实现网络数据的短期存储。同时，开发板还配置了SD卡存储器接口，可以直接使用SD卡采集数据。
2、支持LCD触摸屏。开发板配置了1个4线电阻式LCD触摸屏，外扩1个LCD口，可以用于连接带触摸屏的液晶屏。
3、外围接口丰富。支持3个RS232串口，1个3.3V电平输出串口，2个USB接口，1个100M以太网接口等，以方便对其进行功能扩展。
实施例1：节点的节能测试
为研究硬件休眠机制下节点的实际节能状况，本发明设计了如下实验。
测试目的：测试节点在硬件定时休眠时的节能情况。
测试环境：存在电脑设备、人员等正常干扰。
测试设备：由一个协调节点和一个路由节点组成，其中分别采用JN5148-M00，JN5148-M03，JN5148-M04作为节点的传输模块。
测试方案：路由节点放置在与协调节点相距1m处，定时每1000ms由路由节点向协调节点发送一次数据包，每个数据包包含13个字节长度的信息。分别测量在节点进行硬件休眠和未进行硬件休眠时节点的能耗情况。在采用硬件休眠机制时节点的工作、休眠时间比为1:10。共进行2个小时试验，得到的实验结果表1所示：
表1不同条件下的节点工作电流
在测量过程中，节点的供电电压约为恒定2.7V。从上表1中可以发现在两种方式下节点进行通信工作电流的大小几乎是一致的。通过测量与计算可以得到，针对未能休眠的路由节点采用硬件休眠后3种类型的节点的功耗分别降低为原有25.24％，24.77％，22.25％，节能效果明显。
实施例2：单节点数据传输测试
为了验证所设计的室内温湿度传感器网络系统的性能：可靠性和有效性，本测试将遵循着逐步增加测试干扰程度、组网复杂度来对其进行验证测试，验证数据传输的可靠性和准确性。通过单节点测试可以统计出不同类型芯片的单个模块传输距离以及数据丢失情况，通过多节点组网方式测量“多跳”方式下的数据通信情况。通过以上的研究测试室内不同障碍物对网络的影响，从中可以总结出节点的组网能力，为真正在建筑物内使用提供实验依据，有效合理的部署节点。
通过单节点数据传输测试，JNET协议下的简单拓扑结构测试，复杂建筑物内环境测试，验证不同传输距离、不同网络节点组网能力、不同环境下节点数据传输的能力。进行JNET组网测试时，首先将协调器节点程序下载到一个支持全功能设备的网络节点中，将路由节点和终端节点中也分别下载路由程序和终端节点程序。将RS232-USB线连接至笔记本串口上，通过串口调试助手显示输出内容。调试助手中的参数配置为：串口号根据具体情况分析，波特率为19200b/s，数据位为8，停止位为1，无奇偶校验。在测试过程中将需要若干个网络节点；若干台笔记本电脑；若干条USB数据线。
单节点数据测试则需要一个协调节点和一个路由节点组成一个简单的点对点的网络，协调节点和路由节点将分别采用不同类型的发射芯片，测试不同的距离，研究数据传输与丢包率的关系。
当协调节点开始运行后，会先初始化系统，配置网络参数。本网络的ID标识符为：10671067；网络短地址为：1067；网络信道为：0；最大孩子数为：10；设备类型为：COORDINATOR；网络配置好后，允许其他子节点加入网络。当子节点成功加入后，vNetwork_StackMgmeEvent函数显示子节点已经成功加入。
当路由节点开始运行后，会先初始化系统和协议栈，搜网网络ID标识符为：10671067；网络短地址为：1067；网络信道为：0的网络，并申请加入网络，其允许的最大孩子数为10；设备类型为：ROUTER；当成功加入后，eJenie_SetPermitJoin函数显示子节点已经成功加入。网络组建成功后，由串口调试助手可以显示出协调节点接收数据的情况。
测量步骤：在室内空间以1米为最小增加距离，在相同的距离下，依次测量3种不同类型无线收发模块的丢包率。丢包率是指测试中协调节点接收到的数据与子节点总共发送的数据的比值。丢包率是检验网络性能的一个重要指标，所得结果反映了整个网络的可靠性。在这次测试中是测试一跳的丢包率，即点对点的丢包率。用此种方法可以检测不同芯片的可靠程度。每种类型的节点、每个距离测量5组数据，每组包含500个数据包，数据包以间隔1秒发送，每个数据包包含48个字节长度的信息：包括设备的MAC地址，温湿度信息，节点信息。单节点测试结果如表2所示：
表2单节点测试结果
传输距离(m) M00丢包率(％) M03丢包率(％) M04丢包率(％)
2 0.22 0.24 0.18
4 0.34 0.26 0.20
6 1.16 0.44 0.22
8 6.0 0.66 0.24
10 无 0.84 0.34
12 无 1.4 0.44
14 无 2.12 0.70
16 无 3.22 0.86
18 无 5.20 1.22
20 无 7.80 1.66
22 无 无 2.40
24 无 无 3.60
26 无 无 6.20
28 无 无 10.20
30 无 无 无
注：上表2中含有数据的为建立通信的距离，“无”表示无法建立连接。分析：从表2中可以看出，当距离相同时，不同类型无线发射模块的丢包率大小顺序为：M00，M03，M04。这是因为M00为内置天线，发射功率比较低，故传输距离比较短，M03和M04都是外置天线，但M04为高功率发射模块，所以传输距离比较长。当节点类型不变时，传输距离越远，丢包率越高，并且当距离增加到一定程度时，就无法建立连接。M00的最大传输距离为8米，M03最大传输距离为20米，M04最大传输距离为28米。同时在实验中发现，以上的两个节点建立连接后的传输距离，就其建立网络的距离而言，远比传输距离小。
实施例3：复杂网络结构组网测试
(1)无人员干扰组网测试。
本次实验是由一个协调节点10、三个路由节点7～9和六个底层节点1～6组成，其中协调节点的通信模块采用高功率的M04芯片。结合上一次实验的结果，为了增加传输的可靠性，路由节点和底层节点都采用带外置天线的M03芯片。本次测试实验将采用ZigBee协议的网格式网络拓扑结构进行组网，各节点的安放位置和距离如图16所示。因为本系统是应用在建筑物室内，所以本次实验测试场所为北京建筑工程学院电气智能实验中心，测试时间选择晚上23点进行测试，在这个时间段没有人员干扰，更好的测试了网络的组网能力和建筑物内障碍物对网络的影响。但由于本网络采用的频率为2.4GHz，在这个频段范围内包含着诸多其他网络，如wifi网络，校园无线网络等，并且还有手机移动通信网络GSM等。在诸多网络的干扰下，势必造成多种通信方式共存时的冲突和干扰，影响了网络的可靠性。但这种复杂的电磁环境无法改变，就JNET网络而言，为了避免冲突，IEEE 802.15.4标准中规定了冲突避免载波侦听多路访问机制，保证了JNET和其他通信协议的共存能力。
由于本次实验中的数据传输是多跳方式，为了增加数据的准确性，将增加数据的采集量，每次实验采集1500组数据，共进行5次实验，其数据包仍是包含着节点的MAC地址、温湿度数据、节点号。其节点连接结构示意图如图17所示。网络组建成功后，由串口调试助手可以显示出协调节点接收数据的情况。测试结果：每次实验中节点都能顺利组网，说明各个节点都在通信范围内，证明了多个节点组网，其通信距离和单个节点时相同。网络的整体丢包率为8％左右，数据丢失情况明显高于单节点测试的时候，造成这种现象的原因可能有以下四点：
1、底层节点将数据信息经过路由节点转发给协调节点时会采用多跳的方式，这种多次转发很有可能造成数据的丢失。
2、节点与节点之间竞争网络宽带，导致数据冲突，引起一部分数据包丢失。
3、诸多电磁干扰，造成数据包的丢失，增大了丢包率。
4、建筑物内墙壁，门窗等障碍物对网络的干扰和阻隔，影响了数据传输的可靠性。
(2)有人员干扰组网测试。
测试设备、测试地点和无人员干扰组网测试一样，只不过测试时间选在下午15点进行，此时实验室内和走廊内人员走动比较频繁，更好的体现了建筑物室内的环境，所测得的结果也更加具有可信性和可借鉴性。其测试步骤同上。其测试结果为网络的整体丢包率为8.2％左右，比无人员走动时的丢包率高一点，说明存在稍微的影响。

Claims (5)

1.一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述系统包括底层节点、路由节点和协调节点，所述底层节点分布在各个监控点，用于采集和上传所需数据参数，并根据Zigbee协议通过路由节点按照指定路径以多跳的方式实时地将采集的数据参数上传至协调节点，同时协调节点通过ARM控制器与上位机通信，实现网络的实时控制；
所述底层节点、路由节点和协调节点统称为节点；所述节点包括基础电路、核心模块、功能电路和电源管理模块；所述核心模块包括无线收发模块和处理器模块两部分，无线收发模块负责无线收发，处理器模块用于传感器数据的采集和存储，控制数据的收发，任务管理；所述基础电路包括看门狗模块和信号转换模块两个部分，看门口模块用于保证程序运行和手动复位，所述信号转换模块用于实现节点与ARM控制器的通信；所述电源管理模块包括基础供电电路、电源管理电路和时钟检测电路；所述功能电路包括显示模块和传感器模块两个部分；显示模块用于实时显示该节点当时的状态，传感器模块用于检测当前的环境信息。
2.根据权利要求1所述的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述底层节点包括三种休眠状态，即低度休眠、休眠和深度休眠，具体控制流程为：节点运行在Idle Task状态下，数据采集定时器溢出后，采集并发送传感器数据，直到数据发送完毕，进入低度休眠，定时器定时10秒，定时器溢出后，节点唤醒JenOS初始化，Zigbee PRO信息恢复，数据采集定时器溢出；如此循环，实现休眠模式。
3.根据权利要求1所述的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述处理器模块选取JN5148系列芯片。
4.根据权利要求1所述的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：所述看门狗模块以MAX706RESA作为核心芯片。
5.根据权利要求1所述的一种具有电源管理的智能无线网络传感器系统，其特征在于：底层节点中的电源管理电路中设计有PIC单片机控制的负载开关短路，所述的负载开关短路通过底层节点的电源控制实现路由节点的定时休眠管理；所述PIC单片机通过控制负载开关对节点进行定时控制，具体为：协调节点启动网络，所有节点都加入网络之后，协调节点发送广播信息，通知所有节点启动PIC单片机的定时程序；各节点在收到底层节点的广播信息之后，PIC单片机产生中断，PIC单片机进入95秒的定时时序；定时结束后通知底层节点进入休眠或者复位模式，同时启动定时器继续定时5秒；定时结束后关断负载开关并继续定时1000秒；之后重新启动95秒定时并启动负载开关，至此智能无线网络传感器系统进入循环通断电的状态。
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