CN203181228U - 面向无线传感器网络的低功耗节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向无线传感器网络的低功耗节点，所述低功耗节点用于无线传感器网络中的温湿度采集传感器与PC服务器之间的组网通信，所述低功耗节点包括母板系统与子板系统两部分，母板系统与子板系统之间通过定义好的插针互相连接，母板系统包括开关量传感器、为节点工作供电的外接电源模块以及用于外接温湿度采集传感器的温湿度传感器接口，子板系统包括SOC处理器模块、无线通信模块，SOC处理器模块接收母板系统传回的温湿度传感信号、传感器ID号以及开关量信号，并通过无线通信模块发送至PC服务器。本实用新型可切实解决目前无线传感器网络节点中普遍存在的能耗问题，提供一种稳固、高效、节能的无线传感器网络节点。

Description

面向无线传感器网络的低功耗节点

技术领域

本实用新型涉及无线传感技术领域，具体涉及一种面向无线传感器网络的低功耗节点。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由传感器技术、嵌入式技术、无线通信以及数字电子技术等多学科发展孕育出来的一种全新的信息获取和处理技术。它是由大量的具有无线通信与计算能力的微小传感器节点布没在特定的区域而形成的，能够根据环境情况而完成指定任务的测控与通信网络系统。它具有规模大、成本低、节点硬件简单、功耗低、自组织等特点，对周围环境进行分布与协作式感知，是连接计算机世界与真实物理世界的桥梁。

WSN是由传感器节点、汇聚(Sink)节点和管理节点构成的三级网络系统。大量传感器节点被布撒在某一指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过多条路由方式把数据传送到汇聚节点。汇聚节点负责发出控制命令和接收各个传感器节点发回的数据，并通过USB接口或者RS232接口把数据发送给终端用户PC机。PC机对各个数据进行综合分析处理。

传感器节点通常主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、存储器模块和电源模块等功能模块组成。汇聚节点除了具有一个普通传感器节点的功能之外，结构和功能也更为复杂。感知区域内传感器节点所采集的信息与外部网络或终端用户的连接需要通过汇聚节点来实现。汇聚节点是无线传感器网络与有线设备连接的中转站，是WSN内部网络与管理节点的接口，可以连接传感器网络与Internet等外部网络，能够实现协议栈之间的通信协议转换，把收集的数据转发到外部网络上。负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)，接收下层节点的请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择等功能，是无线传感器网络中最重要的一部分。

无线传感器网络作为一种特殊的Ad hoc网络，除了动态拓扑、自组织、多跳路由、带宽受限等，它还具有其一个极为显著的特征：对于能量或者说功耗的限制。因此，无线传感器网络节点必须具有低功耗的特点。

节点是无线传感器网络的基石,是整个网络系统正常、高效运转的保障。设计和开发出稳固、高效、节能的节点是无线传感器网络非常重要的研究内容，特别是低功耗的网络节点设计是目前面临的一个重要难题。无线传感器网络与传统的网络系统相比，一般应用在高危或者人类难以触及的领域，所以面临的首要问题就能耗问题。根据其应用场合的特殊性，节点的能量供给通常情况采用电池供电。一般电池是一种独立的没有任何能量补充的动力源(太阳能电池除外，且太阳能电池因为是复杂性的设计,在无线传感器网络的应用极少)，节点的能量一旦耗尽，节点将会失活，立刻停止其工作，退出网络。根据网络节点的特点，解决节点能耗的途径有两种：一是采用可再生能源作为节点的能量供给，比如太阳能等，让节点的能量可以自给自足。二是研究低功耗的设计方案，在满足应用需求的前提下，降低节点各个环节的能量，从而降低节点的能耗。根据实际的应用需要，成本通常是考虑的第一要素，显然设计出低功耗的网络节点是解决这一难题的有效途径。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种面向无线传感器网络的低功耗节点，其可切实解决目前无线传感器网络节点中普遍存在的能耗问题，提供一种稳固、高效、节能的无线传感器网络节点。

为了解决现有技术中的这些问题，本实用新型提供的技术方案是：

一种面向无线传感器网络的低功耗节点，所述低功耗节点用于无线传感器网络中的温湿度采集传感器与PC服务器之间的组网通信，所述低功耗节点包括母板系统与子板系统两部分，母板系统与子板系统之间通过定义好的插针互相连接，母板系统包括开关量传感器、为节点工作供电的外接电源模块以及用于外接温湿度采集传感器的温湿度传感器接口，子板系统包括SOC处理器模块、无线通信模块，SOC处理器模块接收母板系统传回的温湿度传感信号、传感器ID号以及开关量信号，并通过无线通信模块发送至PC服务器。

对于上述技术方案，实用新型人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，母板系统中的外接电源模块为5V外接电源，所述子板系统内设有3.3V稳压转换单元，工作时母板系统中的5V外接电源通过插针定义的I/O口提供给子板系统，所述3.3V稳压转换单元再将5V电源转换成3.3V输出从而给子板供电。

作为优化，所述子板系统中的无线通信模块包括SMA外接天线或者板载天线中的任意一种以及时钟控制电路，子板系统中设有SMA外接天线或者板载天线，在具体应用时通过焊接选定其中任意一种天线。

作为优化，时钟控制电路采用双晶振结构电路，主晶振为20MHz的有源晶振，用于低功耗节点正常工作时为SOC处理器模块提供系统时钟；使用32.768KHz的无源晶振作为辅晶振，用于节点休眠时维护一个实时时钟。

作为优化，开关量传感器采用的是干簧管，用于接收开关量信号，所述母板系统中还设有复位单元、唤醒单元。

相对于现有技术中的方案，本实用新型的优点是：

本实用新型所描述的面向无线传感器网络的低功耗节点，通过外接电源为节点工作供电，在电力耗损完后只需更换电池，便于维护；子板系统中所设计的双晶振结构可以维持节点的不间断工作，防止节点因能量耗尽而停止工作退出网络，进一步提高系统工作的可持续性。另外，相比现有技术，增加了双天线方案，可根据使用场合差异，灵活选择外接天线和板载天线的使用。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型实施例的系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例中电源模块实现供电的电路结构图；

图3为本实用新型实施例中的通信协议数据帧格式；

图4为本实用新型实施例中子板系统的系统工作流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例描述了一种面向无线传感器网络的低功耗节点，其系统结构如图1所示，所述低功耗节点用于无线传感器网络中的温湿度采集传感器与PC服务器之间的组网通信，所述低功耗节点包括母板系统与子板系统两部分，母板系统与子板系统之间通过定义好的插针互相连接，母板系统包括开关量传感器、为节点工作供电的外接电源模块以及用于外接温湿度采集传感器的温湿度传感器接口，子板系统包括SOC处理器模块、无线通信模块，SOC处理器模块接收母板系统传回的温湿度传感信号、传感器ID号以及开关量信号，并通过无线通信模块发送至PC服务器。母板系统中的外接电源模块为5V外接电源。

子板系统中的无线通信模块包括SMA外接天线或者板载天线中的任意一种以及时钟控制电路，子板系统中设有SMA外接天线或者板载天线，在具体应用时通过焊接选定其中任意一种天线。

所述子板系统具体包括BL2100AFx SoC芯片、JTAG调试接口、AMS1117_3.3V稳压芯片（稳压转换单元）、SMA外接天线与板载天线、时钟控制电路以及与母板系统的插针接口。

一般情况下，子板插在母板上组合使用。工作时，外接5V电源供给母板，通过插针定义的I/O口提供给子板，子板上的AMS1117_3.3V稳压转换芯片再将5V电源转换成3.3V输出，从而给子板供电。（另外，也能直接给子板供电，只需在引出的插针上接上3.3V或者5V（通过AMS1117_3.3转成3.3V）电池）

子板系统中设有的SMA外接天线或者板载天线，在具体应用时通过焊接选定其中任意一种天线。时钟控制电路采用双晶振结构电路，主晶振为20MHz的有源晶振，选用3225四脚贴片封装，用于低功耗节点正常工作时为SOC处理器模块即BL2100AFx SOC芯片提供系统时钟；使用32.768KHz的无源晶振作为辅晶振，封装为二脚插针式，用于节点休眠时维护一个实时时钟RTC。

所述母板系统具体包括电源模块POWER、基于RS232标准的UART串口模块、温湿度传感器接口SENSOR、开关量传感器（干簧管）KEY SIGNAL、与子板的接口插针PIN以及RESET（复位单元）、WAKEUP（唤醒单元）。

温湿度传感器接口为四脚插针，用于外接温湿度采集传感器。温湿度采集传感器使用SENSIRION公司的SHT11系列传感器，分别用BL2100AFX SOC芯片的PIN29(PA6)、PIN30(PA7)两个I/O口控制，使用插针外接模式。开关量传感器为干簧管，用于接收开关量信号，使用BL2100AFX SOC芯片的PIN61(PA0)I/O口控制。RESET和WAKEUP分别为复位和唤醒按键。

图2是本实施例的电源供电的电路结构示意图。所述电源模块设计为5V外接电源输入，供给温湿度传感器SHT10和子板上的AMS1117_3.3稳压转换芯片。电容C501、C502、C503为滤波电容，F1为熔丝，防止电流过大烧坏电路板。串口部分使用了MAX3223芯片，用于把输入的3.3VTTL电平转换成RS232标准的电平输出，通过公头串口与PC终端进行收发通信。

图3是本实用新型通信协议数据帧格式。所述数据帧格式中，包括以下几部分：同步头：3个字节的 ASCII 码 ***；数据长度：2个字节，存放的是3种信号的帧长度，分为17Byte和20Byte；命令ID：1个字节，其中温度采集命令为0xA0，ID身份卡命令为0xA1，开关量信号命令为0xA2；地址：4个字节；三种发送信号帧：2个字节或5个字节，其中0xA0温湿度采集命令为5个字节，存放温度标志、温度数据、湿度数据，0xA1 ID命令：2个字节，存放采集的ID号，0xA2开关量信号：2个字节，存放采集的开关量信号；CRC校验： 2个字节，是对除同步头和同步尾之外的其他数据进行CRC校验；同步尾：3个字节的 ASCII 码 ###。

图4是本实施例中子板系统的工作流程图。如图4所示，所述通信协议方面，子板系统作为汇聚节点，母板系统中的开关量传感器、接入的温湿度采集传感器以及传感器ID号作为子节点，汇聚节点和三个子节点的通信都是基于符合IEEE 802.15.4规范的ZigBee协议，该协议的优点有：功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠、数据安全、工作频段灵活等。其中，为保证通信的可靠性，IEEE 802.15.4协议采取了如下措施：基于CRC的误码检测和矫正；采用CSMA-CA的碰撞避免机制；为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙；采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息等。

首先，定义好数据包的格式，初始化BL2100AFx中需要使用的各模块，包括MCU、SPI、UZ2400、UART、Timer、RTC、Flash。由于汇聚节点需要时刻侦听子节点的状态，所以汇聚节点一直处于工作状态，需要开启RTC以维持实时时钟。子节点处于低功耗状态，每3秒自动唤醒一次。一旦侦听到子节点发送的数据包，射频收发机UZ2400进入接收模式，接收一个数据包，和Flash中存的路由表白名单进行比较，假如数据包不在白名单范围内或者数据包内白名单个数超过10个，就丢包；否则的话，把数据发送到RS232总线上，通过串口把数据发送给上位机（PC终端），至此结束一次数据包接收，进入下一个循环。

上述实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，所述低功耗节点用于无线传感器网络中的温湿度采集传感器与PC服务器之间的组网通信，所述低功耗节点包括母板系统与子板系统两部分，母板系统与子板系统之间通过定义好的插针互相连接，母板系统包括开关量传感器、为节点工作供电的外接电源模块以及用于外接温湿度采集传感器的温湿度传感器接口，子板系统包括SOC处理器模块、无线通信模块，SOC处理器模块接收母板系统传回的温湿度传感信号、传感器ID号以及开关量信号，并通过无线通信模块发送至PC服务器。

2.根据权利要求1所述的面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，母板系统中的外接电源模块为5V外接电源。

3.根据权利要求1或2所述的面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，所述子板系统内设有3.3V稳压转换单元，工作时母板系统中的5V外接电源通过插针定义的I/O口提供给子板系统，所述3.3V稳压转换单元再将5V电源转换成3.3V输出从而给子板供电。

4.根据权利要求1所述的面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，所述子板系统中的无线通信模块包括SMA外接天线或者板载天线中的任意一种以及时钟控制电路，子板系统中设有SMA外接天线或者板载天线，在具体应用时通过焊接选定其中任意一种天线。

5.根据权利要求4所述的面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，时钟控制电路采用双晶振结构电路，主晶振为20MHz的有源晶振，用于低功耗节点正常工作时为SOC处理器模块提供系统时钟；使用32.768KHz的无源晶振作为辅晶振，用于节点休眠时维护一个实时时钟。

6.根据权利要求1所述的面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，开关量传感器采用的是干簧管，用于接收开关量信号。

7.根据权利要求1所述的面向无线传感器网络的低功耗节点，其特征在于，所述母板系统中还设有复位单元、唤醒单元。

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