CN205016101U - 一种低功耗无线传感器网络实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低功耗无线传感器网络实验平台。数据采集部分包括光敏传感器、温湿度传感器、振动传感器；芯片数据处理电路部分包括CC2530处理器；数据传输部分包括RS232串口；直流电源部分包括电池；报警部分包括报警电路；低频唤醒主控电路包括AS3933低频唤醒芯片；振动传感器与低频唤醒主控电路连接，述光敏传感器、温湿度传感器分别与低频唤醒主控电路连接，低频唤醒主控电路与CC2530处理器连接，CC2530处理器一路与报警电路连接，另一路通过RS232串口与PC终端连接，电池为实验平台供电。通过此低频唤醒芯片将频率较低的杂波信号滤除，在滤除杂波信号的过程中，能耗相对较高的处理器芯片及数据传输电路并不工作，起到一定的降低功耗作用。

Description

一种低功耗无线传感器网络实验平台

技术领域

本实用新型涉及一种低功耗无线传感器网络实验平台，主要应用于高校电子实验室作为对无线传感器网络的认识性实验。

背景技术

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，简称WSN）作为物联网实践中的关键技术，列为《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项重点研究对象，进一步增加了理论与实践领域的关注。以储备我国新技术领域人才，培养学生国际化研究视野为目标，国内系列院校，如上海交大、清华大学、北京邮电大学和中国科技大学等相继展开了该技术深入拓展的研究性教学。构建实验平台可以将前沿技术模型化于教学实践中。而目前网络中的无线传感器网络节点多以信号睡眠唤醒方式降低功耗，其主要存在功耗仍维持于较高水平和系统实时性差的缺陷，即，大量能量消耗于维持系统节点的同步，用于有效信息通信的能量仅占总功耗的一小部分；仅能等到节点定时醒来后方能完成通信，而不论通信所发生的时间，以其为核心所建立的实验自然存在了上述问题。与之相对应，基于低频唤醒技术的低功耗无线传感器网络节点机制是网络系统能源效率和延长网络生命周期的一种有效方法。从实验教学理论联系实际的角度出发，尤其是在传感器节点的主要能源方式仍然是电池，而电池技术在目前没有突破性改进的前提下，探索以低频唤醒技术下低功耗无线传感器为核心的无线传感器网络教学实验平台设计，成为进行实验教学挖掘的重要现实意义所在和亟需应解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术的状况，本申请拟基于物联网技术转型中的前沿技术需求，围绕低频唤醒技术下，设计一种新型的无线传感器网络实验平台，即一种低功耗无线传感器网络实验平台。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种低功耗无线传感器网络实验平台，其特征在于：包括数据采集部分、芯片数据处理部分、数据传输部分、直流电源部分、报警部分和低频唤醒主控电路，数据采集部分包括光敏传感器、温湿度传感器、振动传感器，通过传感器采集相应的信号；芯片数据处理电路部分包括CC2530处理器，将采集来的模拟数据信号转化为数字信号；数据传输部分包括RS232串口，将CC2530处理器处理过的信号通过串口传输到上位机；直流电源部分包括电池，作为动力驱动源，将能量提供给实验平台需要动力的元器件；报警部分包括报警电路，对所采集的信号值设定范围，如果超出此范围将产生报警信号；低频唤醒主控电路包括AS3933低频唤醒芯片，传感器采集的信号包含一部分的无用杂波信号，通过AS3933低频唤醒芯片将杂波信号滤除，在滤除杂波信号的过程中，能耗相对较高的处理器芯片及数据传输电路并不工作，起到一定的降低功耗作用；

所述振动传感器与低频唤醒主控电路连接，所述光敏传感器、温湿度传感器分别与低频唤醒主控电路连接，所述低频唤醒主控电路与CC2530处理器连接，所述CC2530处理器一路与报警电路连接，另一路通过RS232串口与PC终端连接，电池为实验平台供电。

本实用新型的特点是：本实验平台增加了一个低频唤醒芯片和CC2530处理器相连接，传感器采集的信号包含一部分的低频无用杂波信号，通过此低频唤醒芯片将频率较低的杂波信号滤除，在滤除杂波信号的过程中能耗相对较高的处理器芯片及数据传输电路并不工作，起到一定的降低功耗作用，降低一定量功耗的同时更多的是培养参与学生的节能环保意识。

本实用新型主要应用于高校实验室，用于高校电子等专业的认识性实验项目，具有简单、直观、成本低、能耗低的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的芯片数据处理电路原理图；

图3为本实用新型的低频唤醒主控电路原理图；

图4为本实用新型的温湿度传感器电路原理图；

图5为本实用新型的光敏传感器电路原理图；

图6为本实用新型的报警电路原理图。

具体实施方式

如图1至图6所示，一种低功耗无线传感器网络实验平台，包括数据采集部分、芯片数据处理部分、数据传输部分、直流电源部分、报警部分和低频唤醒主控电路，数据采集部分包括光敏传感器、温湿度传感器、振动传感器，通过不同类型的传感器采集相应的信号；芯片数据处理电路部分包括CC2530处理器，将采集来的模拟数据信号转化为数字信号；数据传输部分包括RS232串口，将CC2530处理器处理过的信号通过串口输送到上位机；直流电源部分包括电池，作为此实验平台的动力驱动源，将能量提供给此平台需要动力的元器件；报警部分包括报警电路，对所采集的信号值设定范围，如果超出此范围将产生报警信号；低频唤醒主控电路包括AS3933低频唤醒芯片，传感器采集的信号包含一部分的无用杂波信号，通过此芯片将杂波信号滤除，在滤除杂波信号的过程中，能耗相对较高的处理器芯片及数据传输电路并不工作，起到一定的降低功耗作用。

振动传感器与低频唤醒主控电路连接，光敏传感器、温湿度传感器分别与低频唤醒主控电路连接，低频唤醒主控电路与CC2530处理器连接，CC2530处理器一路与报警电路连接，另一路通过RS232串口与PC终端连接，电池为实验平台供电。

本实用新型的设计原理：

WSN的每一节点均包括数据采集、控制处理、通信和电源等。诸多节点构成了WSN。实践监测中，大量传感器节点散布于被监测区域，并基于无线协议使得各节点形成具有多跳性的自组织网络，最后将监测结果传送到终端。

例如在远程监测中，为了对一些数据进行监测，如：温度、湿度、气压、光照、位置、声音等信息，我们可以采用无线传感器网络技术，将大量廉价的终端传感器分布在所要监测的区域中，将数据采集信息实时传递给终端，使之能更为直观地反应观测区域环境的状态，并及时、准确地进行调整。

本实用新型的工作原理是，将低频唤醒芯片加入网络节点中，以实现网络节点的低功耗唤醒功能。在对微控制器的工作状态控制方面，通过对传感器的信号进行一定的分选，接收信号唤醒处理器芯片，并进行自增益调整使得对接收信号的放大增益调整到适当位置。

作为目前新兴电类实验、实践课程内容之一，WSN实验教学应选择采用何种设备，在开设该课程的院校之间尚无统一意见.但是基本的组成主要有以下三部分：（1）各类传感器节点：负责采集各类信息、其中包括路由节点，实现路由通信功能、（2）CC2530处理器（协调器）：根据计算机发送的指令发送/接收路由节点或传感器节点的数据，并将接收到的数据经过串口发送给终端、（3）PC终端：接收协调器数据和发送指令。

图1为实验平台设计框图。该框图由数据采集部分、芯片数据处理部分、数据传输部分、直流电源部分和报警部分等组成。其中，数据采集部分主要对数据采集、转换进行处理，数据传输将处理好的信息与协调器进行交换，显示、报警部分用于表示数据处理的状态，考虑到整体设计的成本与功耗，电源部分应用电池作为供电装置。

本实用新型的设计流程：

无线传感器网络实验平台设计旨在借助部署小规模网络运行模式的学习，促进学生深入把握实际场景，采用由简入繁、循序渐进的方法，对课程进度相应有所不同侧重，逐步加强该程序功能，直至完善整个网络功能。整个实验平台核心芯片采用TI公司的片上系统(SystemOnaChip，SOC)CC2530处理器，既要满足通信距离的要求还要保证降低能耗，这就要求在在原有芯片基础上增加一个节能的设计结构（如图1），根据以上特征要求，此实验平台的设计重点在于以下两部分：

（1）协调器设计主要包括：对CC2530处理器各管脚周围电路的设计包括直流电源部分、串口（或USB），如需要可增加个射频放大芯片CC2591等。其中CC2530处理器主要对外部节点进行任务的处理、操作，而CC2591功放芯片的作用主要是增加数据的传输距离。电源模块与串口模块主要负责为芯片组提供直流电压和节点与上位机之间的接口通路，协调器同时还包括一些显示装置。

(2)低频唤醒芯片（AS3933）设计电路图：

(3)此平台设计实验内容：低频唤醒芯片在具体的实验过程中对此平台中与物联网相关的温湿度传感器、光照传感器、震动传感器、继电器等传感器都起到降低功耗的作用。

CC2530处理器串口通信实验:串口（USART）是CC2530与其他设备通信的重要接口，本实验进行CC2530处理器异步通信实验，即通过CC2530处理器串口向PC机发送数据，熟悉CC2530处理器串口使用方法。CC2530处理器有两个串行通信接口，分别是USART0和USART1，它们能够分别运行于异步UART模式或者同步SPI模式。两个USART具有同样的功能，可以设置在分隔开的I/O引脚。

数字温湿度传感器实验：数字温湿度传感器（DHT11）是一款含有已校准数字信号传输的温湿度复合传感器，其应用专用数字模块采集技术和温湿度传感技术。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

光敏实验：本实验是用CC2530处理器采集光敏传感器的数据，以电压的方式在串口显示，光强与模块输出的电压一一对应。光敏传感器模块如图5，同CC2530处理器的接口光强不同时，传感器模块给CC2530处理器的电压值就不同，既P04的AO口模拟量电压的不同，CC2530处理器将这个电压数字化，通过串口发送给PC机显示。电压变化表示光强发生了变化。

图5中，DO为数字量电平信号输出；AO模拟量电压输出

开关报警实验：本实验主要是让大家熟悉按键处理过程，按键按下时，LED和蜂鸣器报警，按键的处理方式采用中断方式。CC2530处理器有18个中断源。每个中断源有它自己的、一系列特殊功能寄存器中的中断请求标志。每个中断通过相应的标志请求可以单独使能或禁止。

Claims (1)

1.一种低功耗无线传感器网络实验平台，其特征在于：包括数据采集部分、芯片数据处理部分、数据传输部分、直流电源部分、报警部分和低频唤醒主控电路，数据采集部分包括光敏传感器、温湿度传感器、振动传感器，通过传感器采集相应的信号；芯片数据处理电路部分包括CC2530处理器，将采集来的模拟数据信号转化为数字信号；数据传输部分包括RS232串口，将CC2530处理器处理过的信号通过串口传输到上位机；直流电源部分包括电池，作为动力驱动源，将能量提供给实验平台需要动力的元器件；报警部分包括报警电路，对所采集的信号值设定范围，如果超出此范围将产生报警信号；低频唤醒主控电路包括AS3933低频唤醒芯片，传感器采集的信号包含一部分的无用杂波信号，通过AS3933低频唤醒芯片将杂波信号滤除，在滤除杂波信号的过程中，能耗相对较高的处理器芯片及数据传输电路并不工作，起到一定的降低功耗作用；

所述振动传感器与低频唤醒主控电路连接，所述光敏传感器、温湿度传感器分别与低频唤醒主控电路连接，所述低频唤醒主控电路与CC2530处理器连接，所述CC2530处理器一路与报警电路连接，另一路通过RS232串口与PC终端连接，电池为实验平台供电。