CN201657339U - 一种带有gps的无线传感器网络节点设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种带有GPS的无线传感器网络节点设备。本实用新型由GPS数据采集单元(10)、微处理器控制单元(11)和无线射频收发单元(12)组成，其中GPS数据采集单元(10)与微处理器控制单元(11)双向电连接，无线射频收发单元(12)与微处理器控制单元(11)双向电连接；微处理器控制单元(11)由单片机、数据存储单元、随机码生成器组成，其中数据存储单元、随机码生成器分别与单片机双向电连接。本实用新型充分利用了单片机内部资源，使系统硬、软件设计达到了最小化，硬件电路简单、测量精度高、抗干扰能力强、成本低廉和体积小巧的特点，特别适合于在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合。

Description

一种带有GPS的无线传感器网络节点设备 

技术领域

本实用新型涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种带有GPS的无线传感器网络节点设备。 

背景技术

无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展，无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。 

由于传感器节点通常是用飞机等工具随机地部署到检测区域中，因此无法预先确定节点部署后的位置。对于这些传感数据在不知道相应位置信息的情况下，往往是没有意义的，因此传感器节点的位置信息在无线传感器网络的诸多应用领域中扮演着十分重要的角色。节点自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。目前现有的无线传感器网络节点定位算法，普遍存在测距方法受环境影响大、算法复杂度高、能耗大、不适用于移动节点定位等问题。因此，本实用新型提供了一种带有GPS的无线传感器网络节点设备，可实时地提供节点设备自身的地理位置信息和UTC时间，具有硬件电路简单、测量精度高、功耗低、强抗干扰和价格低廉的特点，特别适合于在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合，随着无线传感器网络技术的不断进步成熟，本实用新型的应用将会越来越广泛，对于传感器网络技术性能提高和实用性有着重要的理论意义和应用价值。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有GPS的无线传感器网络节点设备，可实时地提供节点设备自身的地理位置信息和UTC时间，具有硬件电路简单、测量精度高、功耗低、成本低廉和体积小巧的特点。 

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案： 

由GPS数据采集单元(10)、微处理器控制单元(11)和无线射频收发单元(12)组成， 其中GPS数据采集单元(10)与微处理器控制单元(11)双向电连接，无线射频收发单元(12)与微处理器控制单元(11)双向电连接； 

微处理器控制单元(11)由单片机、数据存储单元、随机码生成器组成，其中数据存储单元、随机码生成器分别与单片机双向电连接。 

所述GPS数据采集单元(10)采用LEA_4A芯片构成，所述无线射频收发单元(12)采用AT86RF230芯片构成，所述微处理器控制单元(11)中的单片机由Atmegal128L芯片构成、数据存储单元由AT45DB0419芯片构成、随机码生成器由DS240IP芯片构成。 

LEA_4A芯片的第16引脚RF_IN接无源天线，第22引脚GPSMODE2、第21引脚GPSMODE5、第9引脚GPSMODE6、第23引脚GPSMODE7、第3引脚TXD1、第4引脚RXD1分别与Atmegal128L芯片的第6引脚PE4、第7引脚PE5、第8引脚PE6、第9引脚PE7、第2引脚PE0/RXD0、第3引脚PE1/TXD0连接，LEA_4A芯片的第5引脚VDDIO、第6引脚VCC均接3.6V电源，LEA_4A芯片的第17引脚GND通过电阻接数字地，LEA_4A芯片的第18引脚VCC_RF、第19引脚V_ANT均接数字地。 

Atmegal128L芯片第50引脚PA1与DS240IP芯片的第2引脚DQ连接，Atmegal128L芯片的第27引脚RXD1/PD2、第28引脚TXD1/PD3、第30引脚XCK/PD5、第51引脚PA0分别与AT45DB0419芯片的第8引脚SO、第1引脚SI、第2引脚SCK、第4引脚CS连接，AT45DB0419芯片第3引脚/RST接3.6V电源。 

所述无线射频收发单元由高精度的晶体振荡器、外接天线、不平衡变压器和无线收发芯片AT86RF230芯片组成，无线射频收发单元的外接天线经可调电感与不平衡变压器第1引脚相接，不平衡变压器第4引脚经电容C1与AT86RF230芯片的第4引脚RFP连接，不平衡变压器第3引脚经电容C2与AT86RF230的第5引脚RFN连接，AT86RF230芯片的第25引脚XTAL1与晶体振荡器第1引脚连接，同时还通过电容C5接模拟地，AT86RF230芯片的第26引脚XTAL2与晶体振荡器第2引脚连接，同时还通过电容C4接模拟地，AT86RF230芯片的第15引脚VDD、第28引脚VDD均接3.6V电源，同时还通过电容C7、C8接数字地，AT86RF230芯片的第13引脚与第14引脚相连后通过电容C6接数字地，AT86RF230芯片的第29引脚通过电容C3接模拟地，AT86RF230芯片的第1、2、27、32、31、30引脚均接模拟地，AT86RF230芯片的第3、6、7、9、10、12、16、18、21引脚均接数字地，AT86RF230芯片的第24引脚IRQ、第23引脚/SEL、第22引脚MOSI、第20引脚MISO、第19引脚SCLK、第17引脚CLKM、第8引脚/RST、第11引脚SLP_TR分别与微处理器控制单元中Atmegal128L芯片的第17引脚PB7/OC1C、第10引脚PB0/SS、第12引脚PB2/MOSI、第13引脚PB3/MISO、第11引脚PB1/SCK、第14引脚PB4/OC0、第15引脚PB5/OC1A、第16引脚PB6/OC1B连接。 

本实用新型具有以下优点和积极效果： 

1)充分利用了单片机内部资源，使系统硬、软件设计达到了最小化； 

2)硬件电路简单、测量精度高、抗干扰能力强、成本低廉和体积小巧的特点，特别适合于在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合。 

附图说明

图1是本实用新型提供的带有GPS的无线传感器网络节点设备的结构框图。 

图2是本实用新型中GPS数据采集单元与微处理器控制单元的连接电路图。 

图3是本实用新型中无线射频收发单元与微处理器控制单元的连接电路图。 

图4是本实用新型提供的节点设备控制无线射频收发单元工作的流程图。 

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明： 

本实用新型提供的带有GPS的无线传感器网络节点设备，具体采用如下技术方案，参见图1，由GPS数据采集单元(10)、微处理器控制单元(11)和无线射频收发单元(12)组成，其中GPS数据采集单元(10)与微处理器控制单元(11)双向电连接，无线射频收发单元(12)与微处理器控制单元(11)双向电连接。进一步地，微处理器控制单元(11)由单片机、数据存储单元、随机码生成器组成，其中数据存储单元、随机码生成器分别与单片机双向电连接。 

本实用新型提供的带有GPS的无线传感器网络节点设备的工作过程如下：GPS数据采集单元将采集的GPS数据发送给微处理器控制单元，微处理器控制单元将接收的GPS数据进行存储、压缩和打包，并形成完整的帧格式数据包，然后传输给无线射频收发单元，无线射频收发单元主要负责数据包的发送与接收，当微处理器控制单元需要发送数据包时，无线射频收发单元就打开无线发送信道发送数据包，无线射频收发单元接收到数据包时，打开接收信道并把数据包发送给微处理器控制单元进行处理。 

下面给出本实用新型的一个具体实施例： 

GPS数据采集单元(10)采用LEA_4A芯片构成，无线射频收发单元(12)采用AT86RF230芯片构成，组成微处理器控制单元(11)的单片机采用Atmegal128L芯片构成、数据存储单元由AT45DB0419芯片构成、随机码生成器由DS240IP芯片构成。 

图2示出了GPS数据采集单元与微处理器控制单元的连接电路图，根据上述的具体实施例，描述其具体的引脚连接关系为： 

数据采集单元利用通用接口与微处理器相连接，通过控制LEA_4A的第22、21、9、23引脚设置GPS的不同工作模式，设置ATMEGAL128L的第6引脚为低电平，GPS精度工作在正 常模式，设置ATMEGAL128L的第6引脚为高电平，GPS精度工作在高精度模式。设置ATMEGAL128L的第7、8脚不同的高低电平，串口1有4种工作方式：①高精度方式1，波特率19.2Kb，NMEA协议；②低精度方式2，波特率4.8Kb，NMEA协议；③中等精度方式3，波特率9.6Kb，NMEA协议；④精度可扩展方式4，波特率1152Kb，UBX协议。ATMEGAL128L的第9引脚设置为低电平可控制LEA_4A的USB接口为总线供电模式，设置为高电平时LEA_4A的USB接口为自供电模式。因此可以根据不同的应用场景选择合适的工作方式，本实用新型设置ATMEGAL128L的第7、8引脚同时为低电平，GPS串口1工作在第1种方式。无源天线E2耦合GPS卫星的发送信号，E2把接收的GPS信号经过LEA_4A的第16引脚输入，LEA_4A对接收的GPS信号解调，将解调的节点设备自身地理位置信息和UTC时间等数据存储在LEA_4A的寄存器中，通过串口1将上述信息传输到ATMEGAL128L中，进行串口通信之前首先要对USART进行初始化，初始化过程包括：波特率的设定，帧结构的设定，以及根据需要使能接收器或发送器。 

微处理器控制单元采用ATMEGAL128L作为整个节点设备的控制中心，它是一款8位低功耗的CMOS单片机，内部有128KB的Flash存放系统执行程序，4KB的EEPROM可以存放一些系统配置数据，ATMEGAL128L还外扩一个512KB的Flash芯片AT45DB0419，ATMEGAL128L通过串口通信方式对AT45DB0419进行数据读写，ATMEGAL128L的第51引脚PA0控制AT45DB0419的第4引脚CS片选AT45DB0419，ATMEGAL128L的第30引脚XCK1/PA5控制AT45DB0419的第2引脚SCK为AT45DB0419通信提供一个同步时钟，在同步时钟的作用下，AT45DB0419通过第8引脚SO发送数据，ATMEGAL128L通过第27引脚RXD1/PD2接收数据，ATMEGAL128L通过第28引脚TXD1/PD3发送数据，AT45DB0419通过第1引脚SI接收数据。利用AT45DB0419节点设备可存储或转发其他节点采集的数据。ATMEGAL128L外接的DS240IP为节点设备产生一个物理标识符，作为节点设备在无线传感器网络中唯一节点ID号。 

图3示出了无线射频收发单元与微处理器控制单元的连接电路图，根据上述的具体实施例，描述其具体的引脚连接关系为： 

当AT86RF230发送数据时，ATMEGAL128L把需要发送的数据通过SPI接口传送到AT86RF230的寄存器中，数据经过基频处理、频率合成、功率放大，然后经过AT86RF230的第4引脚RFP通过天线E1发射。当AT86RF230接收数据时，数据通过天线E1经AT86RF230的第5脚RFN输入，然后经过低噪声放大、多相滤波器、复合带通滤波、模数转换，最后把接收到数据存储在AT86RF230的寄存器中，然后通过SPI接口与ATMEGAL128L进行通信，把数据存储到ATMEGAL128L的寄存器中。SPI接口完成AT86RF230与ATMEGAL128L之间的数据交换过程为：将AT86RF230的第23引脚/SEL设置为低电平，ATMEGAL128L将启动一次通信过 程，AT86RF230和ATMEGAL128L将需要发送的数据放入相应的移位寄存器中，ATMEGAL128L的第11引脚SCK上产发送或接收数据的同步时钟脉冲，ATMEGAL128L的数据从ATMEGAL128L第12引脚MOSI串行移出，从AT86RF230的第22引脚MOSI串行移入；AT86RF230的数据从AT86RF230的第20引脚MISO串行移出，从ATMEGAL128L第13引脚MISO串行移入。 

设计中为了提高无线射频收发单元的性能，AT86RF230第1、2、27、30、31、32引脚接模拟地，第3、6、7、9、10、12、16、18、21引脚接数字地，利用不平衡变压器S1将2路差分输出变成一路50欧姆输出，与AT86RF230天线进行阻抗匹配，AT86RF230天线端口为2路100欧姆的差分输出，接单端馈电天线E1，若实际测试阻抗达不到50欧姆，则可通过调节电感L1，及电容C1，C2来实现阻抗匹配。 

图4示出了本实用新型提供的节点设备控制无线射频收发单元工作的流程图，具体步骤如下： 

软件首先完成GPS数据采集单元、微处理器控制单元和无线射频收发单元初始化工作，使能SPI端口，UART端口，运行任务程序，实现发送或接收数据任务。数据发送流程：当LEA_4A采集到GPS数据时产生中断信号，ATMEGAL128L通过串口1读取GPS数据，调用数据处理函数处理数据，然后检查无线信道是否繁忙，如果繁忙就等待，如果空闲就向AT86RF230的寄存器写数据，等待发送完毕，如果需要一个ACK应答消息则等待ACK消息确认，如果等待超时就重发数据包。数据接收流程：AT86RF230监测RSSI信号，若RSSI信号有效就启动接受数据，接收数据时监测数据是否溢出，若溢出就丢掉数据包，否则等数据接收完整后读入控制位，判是否需要ACK应答包，若需要则发送成功接收数据包的ACK应答包。然后，继续接收下一个数据包，接收完成时调用相关函数进行数据处理。 

Claims (5)

1.一种带有GPS的无线传感器网络节点设备，其特征在于：

由GPS数据采集单元(10)、微处理器控制单元(11)和无线射频收发单元(12)组成，其中GPS数据采集单元(10)与微处理器控制单元(11)双向电连接，无线射频收发单元(12)与微处理器控制单元(11)双向电连接；

微处理器控制单元(11)由单片机、数据存储单元、随机码生成器组成，其中数据存储单元、随机码生成器分别与单片机双向电连接。

2.根据权利要求1所述的带有GPS的无线传感器网络节点设备，其特征在于：

所述GPS数据采集单元(10)采用LEA 4A芯片构成，所述无线射频收发单元(12)采用AT86RF230芯片构成，所述微处理器控制单元(11)中的单片机由Atmegal128L芯片构成、数据存储单元由AT45DB0419芯片构成、随机码生成器由DS240IP芯片构成。

3.根据权利要求2所述的带有GPS的无线传感器网络节点设备，其特征在于：

LEA_4A芯片的第16引脚RF_IN接无源天线，第22引脚GPSMODE2、第21引脚GPSMODE5、第9引脚GPSMODE6、第23引脚GPSMODE7、第3引脚TXD1、第4引脚RXD1分别与Atmegal128L芯片的第6引脚PE4、第7引脚PE5、第8引脚PE6、第9引脚PE7、第2引脚PE0/RXD0、第3引脚PE1/TXD0连接，LEA_4A芯片的第5引脚VDDIO、第6引脚VCC均接3.6V电源，LEA_4A芯片的第17引脚GND通过电阻接数字地，LEA_4A芯片的第18引脚VCC_RF、第19引脚V_ANT均接数字地。

4.根据权利要求2所述的带有GPS的无线传感器网络节点设备，其特征在于：

Atmegal128L芯片第50引脚PA1与DS240IP芯片的第2引脚DQ连接，Atmegal128L芯片的第27引脚RXD1/PD2、第28引脚TXD1/PD3、第30引脚XCK/PD5、第51引脚PA0分别与AT45DB0419芯片的第8引脚SO、第1引脚SI、第2引脚SCK、第4引脚CS连接，AT45DB0419芯片第3引脚/RST接3.6V电源。

5.根据权利要求3或4所述的带有GPS的无线传感器网络节点设备，其特征在于：

所述无线射频收发单元由高精度的晶体振荡器、外接天线、不平衡变压器和无线收发芯片AT86RF230芯片组成，无线射频收发单元的外接天线经可调电感与不平衡变压器第1引脚相接，不平衡变压器第4引脚经电容C1与AT86RF230芯片的第4引脚RFP连接，不平衡变压器第3引脚经电容C2与AT86RF230的第5引脚RFN连接，AT86RF230芯片的第25引脚XTAL1与晶体振荡器第1引脚连接，同时还通过电容C5接模拟地，AT86RF230芯片的第26引脚XTAL2与晶体振荡器第2引脚连接，同时还通过电容C4接模拟地，AT86RF230芯片的第15引脚VDD、第28引脚VDD均接3.6V电源，同时还通过电容C7、C8接数字地，AT86RF230芯片的第13引脚与第14引脚相连后通过电容C6接数字地，AT86RF230芯片的第29引脚通过电容C3接 模拟地，AT86RF230芯片的第1、2、27、32、31、30引脚均接模拟地，AT86RF230芯片的第3、6、7、9、10、12、16、18、21引脚均接数字地，AT86RF230芯片的第24引脚IRQ、第23引脚/SEL、第22引脚MOSI、第20引脚MISO、第19引脚SCLK、第17引脚CLKM、第8引脚/RST、第11引脚SLP_TR分别与微处理器控制单元中Atmegal128L芯片的第17引脚PB7/OC1C、第10引脚PB0/SS、第12引脚PB2/MOSI、第13引脚PB3/MISO、第11引脚PB1/SCK、第14引脚PB4/OC0、第15引脚PB5/OC1A、第16引脚PB6/OC1B连接。 

Images