CN201976261U - 无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器节点，属于无线传感器网络和物联网领域，解决现有传感器节点工作寿命不长及使用不灵活的问题，本传感器节点包括：传感器模块，与传感器模块连接该处理器模块，与处理器模块连接的无线通信模块及对传感器节点进行供电的电源模块。其中：处理器模块与无线通信模块安装于计算和通信子板上，传感器模块与计算和通信子板分离安装；处理器模块的主控芯片采用ATmega128L微控制器；无线通信模块的射频芯片采用C2420收发芯片。本传感器节点具有鲁棒性，使用灵活，能耗低，使用寿命长的优点。

Description

无线传感器节点

技术领域

本实用新型属于无线传感器网络和物联网领域，尤其是涉及一种无线传感器节点。

背景技术

无线传感器网络(WSN)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无线通信技术，是一个涉及多学科内容的全新领域。无线传感器网络技术最先起源于军事领域，但是随着技术的发展，目前已被广泛应用于工业自动化、智能农业、智能交通、楼宇监控、仓储管理等领域，发展前景广阔。

从WSNs的应用类别上，目前主要应用于环境数据采集、安全监测和目标节点跟踪定位。

无线传感器节点是搭建无线传感器网络的基础硬件平台，是一个拥有信号采集、数据处理、无线通信等功能的微型嵌入式系统。由于无线传感器网络使用环境的特殊性，相比一般的嵌入式设备，传感器节点具有功耗低，尺寸小，成本低等特点。

随着低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术、微型传感器技术及集成电路技术的飞速发展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型传感器通过链路自组织成分布式无线传感器网络成为现实。与MANTs不同，由于受到成本以及体积等原因的限制，无线传感器网络的无线传感器节点的处理能力、通信带宽以及电池容量等资源更为有限。尤其是，在多数应用中无线传感器节点的能量无法得到补充，如被部署在敌后(指军事领域)或者环境恶劣的地区中应用。因此研究一种能够有效利用资源，延长网络工作寿命并使用灵活的无线传感器节点成为当务之急。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种能够延长网络工作寿命并便于维修的无线传感器节点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无线传感器节点，其包括传感器模块，处理器模块，无线通信模块及电源模块，所述处理器模块与无线通信模块安装于计算和通信子板上，其中：

所述传感器模块与所述计算和通信子板分离安装；

所述处理器模块与所述传感器模块连接，处理器模块的主控芯片采用ATmega128L微控制器；

所述无线通信模块与所述处理器模块连接，无线通信模块的射频芯片采用C2420收发芯片；

所述电源模块与所述传感器模块、处理器模块、无线通信模块分别连接，电源模块采用电池。

所述传感器模块是温度、湿度、光敏、振动、光强、气体报警、磁阻及红外数字传感器中的任一种。

所述传感器模块与所述微控制器中的传感器接口连接。

所述无线收发模块与所述微控制器中的SPI通信接口、状态控制接口分别连接。

所述无线传感器节点还包含一个数据存储器，其分别与所述处理器模块及电源模块连接，采用512KB串行FLASHAT45DB041存储器。

所述数据存储器与所述微控制器中的串行接口连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的无线传感器节点采用了模块化的技术方案，其中的处理器模块采用ATmega1128L微控制器，无线通信模块采用CC2420无线传输芯片的传感器节点，使本传感器节点相比现有的传感器节点，具有鲁棒性，使用灵活，能耗低，使用寿命长的优点。

为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为本实用新型的无线传感器节点结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

参见图1，本实用新型的无线传感器节点主要包括四个模块：传感器模块1、处理器模块2、无线通信模块3和电源模块4，其中处理器模块2与无线通信模块3安装于计算和通信子板10上。

传感器模块1，用于检测被控信息的模块，该数据采集传感器模块1与计算和通信子板10分离安装，其模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性，即可根据实际需要确定合适的传感器，例可以采用温度、湿度、光敏、振动、光强、气体报警、磁阻、红外等传感器中的任一种，以满足不同的需要。由于本节点中下述电源模块4为电池，要求传感器模块1体积小、功耗低、外围电路简单，宜采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。

处理器模块2，与传感器模块1连接，用于控制整个传感器节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等。本实施例中处理器模块2的主控芯片采用ATMEL公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。ATmega128L可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，因此该微控制器适合于低能耗的应用场合，尤其适用于本传感器节点中使用。

无线通信模块3，与处理器模块2连接，是无线收发模块，负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。本实施例的无线通信模块3的射频芯片采用C2420收发芯片，这是美国Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4的无线收发芯片。CC2420具有集成度高，工作电压低、功耗低和灵敏度高等优点，它具有以下特点：基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低；采用了直接序列扩频方式，抗噪声干扰能力强；MAC子层支持信息包处理、数据缓存、突发传输、地址识别、信道能量检测、链路质量指示和空闲信道评估等功能，从而可减轻主控制器负担，可与低成本的控制器配合使用。CC2420的选择性和敏感性指数都超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。

电源模块4，与所述传感器模块1、处理器模块2、无线通信模块3连接，采用电池供电。由于无线传感器网络可能工作在人烟稀少或人类无法到达的地区，所以大多只能采用电池供电，且一般不可能更换电池，因此，如何降低传感器节点能耗是无线传感器网络研究中最关心的问题之一。

上述CC2420收发芯片采用低电压供电(2.1V～3.6V)，同时，采用休眠模式，且从休眠模式被激活的时延短，因此有更多的时间处于休眠状态，而处于休眠状态时芯片的能耗极低，从而大大减少了能耗。CC2420收发芯片各状态下的电流消耗典型值如下：稳压器关闭为0.02μA，低电位模式为20μA，空闲模式为426μA，接收模式为18.8mA，发送模式(输出功率P＝0dBm)为17.4mA。

上述ATmega128L微控制器也是一款采用低电压供电的芯片(2.7V～5.5V)。而且ATmega128L有6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式，可根据需要，通过软件编程或硬件复位等方式来控制处理器进入睡眠模式，节省能耗。同时，各种睡眠模式都有各自的唤醒源，当有数据需要该微控制器处理时，便可由唤醒源将其唤醒，进入工作状态，一旦处理完成，再次进入睡眠状态。采用这种工作方式，处理器模块2能够最大限度地节约能耗。

本无线传感器节点还包含数据存储器5，与所述处理器模块2连接，由于无线传感器节点的无线通信模块3传输能力有限，加上传感器节点工作的占空比非常小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据，暂存无线通信模块3自己采集的或需要转发的其他节点采集来的数据。本实施例的数据存储器5选用512KB串行FLASHAT45DB041存储器，与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合本传感器节点使用。数据存储器5与电源模块4连接，由其供电。

如图1所示，本实施例中的处理器模块2主控芯片采用ATmega128L微控制器，传感器模块1与该微控制器中的传感器接口21相连接；无线收发模块3与该微控制器中的SPI通信接口22相连接，并且还与该微控制器中的状态控制接口23相连接，以控制其收发数据；数据存储器5与该微控制器中的串行接口24相连接。该微控制器中的ISP接口26用来实现程序的下载；该微控制器中的JTAG接口27用来下载仿真程序；该微控制器中的UART接口25通过RS232电路(未图示)用来实现本传感器节点与机站(未图示)的连接，再通过机站上的串口与PC相连，电源模块4分别给传感器模块1、处理器模块2、无线通信模块3以及数据存储器5供电。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种无线传感器节点，其特征在于包括：传感器模块，处理器模块，无线通信模块及电源模块，所述处理器模块与无线通信模块安装于计算和通信子板上，其中：

所述传感器模块与所述计算和通信子板分离安装；

所述处理器模块与所述传感器模块连接，处理器模块的主控芯片采用ATmega128L微控制器；

所述无线通信模块与所述处理器模块连接，无线通信模块的射频芯片采用C2420收发芯片；

所述电源模块与所述传感器模块、处理器模块、无线通信模块分别连接，电源模块采用电池。

2.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于：

所述传感器模块是温度、湿度、光敏、振动、光强、气体报警、磁阻及红外数字传感器中的任一种。

3.如权利要求1或2所述的无线传感器节点，其特征在于：

所述传感器模块与所述微控制器中的传感器接口连接。

4.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于：

所述无线收发模块与所述微控制器中的SPI通信接口、状态控制接口分别连接。

5.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于：

所述无线传感器节点还包含一个数据存储器，其分别与所述处理器模块及电源模块连接，采用512KB串行FLASHAT45DB041存储器。

6.如权利要求5所述的无线传感器节点，其特征在于：

所述数据存储器与所述微控制器中的串行接口连接。

Images