CN205881273U - 一种无线传感器网络实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子技术，特别是一种无线传感器网络实验平台。它是由集成于PCB主板的单片机分别连接矩阵按键模块、蜂鸣器报警模块、液晶显示模块、传感器模块及无线通信模块连接构成，上述元器件皆由电源模块供电。本实用新型功耗较低，所包含的传感器种类和无线通信模块齐全，考虑到实际工程应用情况增加了显示模块，弥补了市面上已有的无线传感器网络实验平台的不足之处，适合初学者入门学习。

Description

一种无线传感器网络实验平台

技术领域

本实用新型涉及一种无线传感器网络实验平台，特别是一种基于MSP430F5529单片机的无线传感器网络教学实验平台。

背景技术

无线传感器网络，是由许多在空间中分布的自动装置组成的一种无线通讯计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家居自动化以及交通控制等。

无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现在1999年，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

而当前的无线传感器网络实验平台主要有以下一些缺点：1.多针对于工业使用，没有入门级学习平台；2.价格昂贵，很多实验室都没有学习板；3多应用于针对单一参数的测量，传感器种类较少；4.无线通信方式单一；5.微控制器原理复杂，不易上手学习和掌握，降低了学生学习无线传感器网络的兴趣。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗基于MSP430F5529单片机的无线传感器网络实验平台。

本发明的目的是通过如下途径实现的：一种基于MSP430F5529单片机的无线传感网络实验平台，它包括传感器模块、处理器单元、无线通信模块、电源模块、显示模块，所述的电源模块为5V适配器供电。显示模块采用的液晶显示，不用时可从无线传感器网络实验平台上拆下。

可选的，所述的传感器模块，包括：人体热释电红外检测、加速度传感器模块、陀螺仪模块、数字型温度传感器、光照度检测模块、声强检测模块、蜂鸣器报警模块、矩阵按键模块、气体检测模块。

可选的，所述的无线通信模块，包括：RFID门禁模块、CC1101无线通信模块、ZigBee无线通信模块、蓝牙无线通信模块、WiFi通信模块、GPRS无线通信模块。

可选的，所述的处理器单元，包括：MSP430F5529单片机。

作为本方案的进一步优化，还有相应的上位机可以和无线通信模块连接，进行数据传输。

本实用新型一种基于MSP430F5529单片机的无线传感器网络实验平台，使用的MSP430F5529单片机是TI公司推出的超低功耗单片机,该单片机在3.3v供电时全速运行电流195uA，待机电流仅有0.18uA，且功能强大，该单片机入门简单，上手容易，有全面的例程可供学习参考；本实用新型所使用的传感器种类较多，使用时可选择性使用；本实用新型涵盖无线通信模块齐全，在不使用时可从无线传感器网络实验平台上拆下，且所有无线模块使用方法简单，入门容易；液晶显示模块更贴近实际应用的使用情况，可选择性使用。

与现有技术比较，存在如下优点：1.功耗较低，尤其是控制器部分，MSP430F5529单片机是超低功耗级别的，学生上手容易；2.传感器种类齐全，常用的传感器都已经囊括，适合想要学习传感器的初学者；3.该实验平台几乎囊括市面上所有的无线通信模块，所有模块资料齐全，适合想要学习无线通信模块的初学者；4.可根据实验板上已有资源进行无线传感器网络综合实验，为今后更深入的学习做铺垫。

总之，本实用新型功耗较低（使用了MSP430F5529超低功耗单片机），所包含的传感器种类和无线通信模块齐全，考虑到实际工程应用情况增加了显示模块，弥补了市面上已有的无线传感器网络实验平台的不足之处，适合初学者入门学习。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

图1为本实用新型各模块位置示意图；

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种基于MSP430F5529单片机的无线传感器网络实验平台，所述无线传感器网络实验平台包括：

人体热释电红外检测、加速度传感器模块、陀螺仪模块、数字型温度传感器、光照度检测模块、声强检测模块、蜂鸣器报警模块、矩阵按键模块、液晶显示模块、气体检测模块、RFID门禁模块、CC1101无线通信模块、ZigBee无线通信模块、蓝牙无线通信模块、WiFi通信模块、GPRS无线通信模块、电源模块。

在实施中，针对其中的每个模块的构成以及用途，分别进行说明：

1、加速度传感器模块

该模块采用ADI公司的三轴数字加速度传感器ADX345，如图1所示。该模块可以完成倾斜角检测实验，以及对SPI总线（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）的掌握。

三轴数字加速度传感器ADX345，最大感知±16g的加速度，感应精度可以达到3.9mg/LSB，倾角测量典型误差小于1°，通过内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放在片内缓冲区，使用SPI总线读取数据。SCL、SDA接上拉电阻，CS通过限流电阻接高电平。

实验时，首先将该模块所对应的2个控制引脚所对应的I/O通过跳线帽连接起来。

2、数字型温度传感器

该模块采用数字型温度传感器，该实验模块可以完成两类测温实验，并进行比较。数字型温度传感器采用DS18B20，其与单片机之间只需一根线即可实现双向数据通信。

①常见的实验教学系统或单片机开发板的温度测量由DS18B20完成；

②这样的设计既能让学生掌握常见温度数字型温度传感器DS18B20的工作原理及使用，也能让学生了解单总线数据传输的原理。

3、光照度检测模块

该模块采用SP-10A型硅光电池，结合I/V转换电路，将硅光电池输出的电流信号转换为单片机AD模块能够直接采样的电压信号。该实验模块可完成光照强度检测实验，同时可以使学生对I/V转换有更深层的认识。

实验时，首先将该模块所对应的1个采样引脚所对应的I/O通过跳线帽连接起来。

①常见的光照度检测模块是采样光敏电阻或集成光照度检测传感器进行测量。

②该模块通过I/V转换电路将硅光电池的光生电流信号转换成单片机AD模块能够采样的电压信号。

③这样既可以让学生了解硅光电池的工作原理，又可以让学生掌握I/V转换的实现。

4、声强检测模块

该模块主要包括麦克风信号调理电路及峰值检波电路组成。该模块可以实现噪声强度检测，同时让初学者认识掌握峰值检波电路。

传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器，俗称话筒（麦克风）。而麦克风主要分为动圈式和驻极体电容式，其中动圈式传声器音质很好，但体积较大，电容式传声器体积小巧，成本低廉，在手机、电话等设备中应用十分广泛。

驻极体电容式传声器是用事先已注入电荷而被极化的驻极体代替极化电源的电容传声器。由于驻极体传声器具有体积小、价格低廉、电声性能好、结构简单等特点，被广泛应用于无线话筒、盒式录音机及声控等电路中，从而成为最常用的电容传声器。由于输入输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。驻极体传声器的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。

由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。

由于高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷Q，而没有放电回路，所以这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化的。根据公式：Q =CU，则U=Q/C可知, 驻极体总的电荷Q是不变的，所以当极板在声波压力下后退时，两极板间距变大，导致电容C减小，故电压U随电容C的变小而变大，反之当电容量增加时电容两极之间的电压就会成反比的下降。最后通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行适当的放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。这就是驻极体话筒的工作原理。

峰值检波电路可以将一定时间内的波形的最大值保持，并由单片机进行AD采样，进行转换得到相应声音强度。

①常见的声音强度检测模块只是通过调节阀值电阻，来调节声强阀值，从而控制输出数字信号；

②该模块通过音频信号的处理电路，然后采样保持电路将处理后的信号保持，便于单片机AD模块能够采样的电压信号，然后根据声强转换公式得到相应的外界具体声音强度；

③这样既可以让学生了解驻极体电容式传声器的工作原理，又可以让学生掌握采样保持电路的实现原理。

5、陀螺仪模块

该实验平台所使用的陀螺仪是MPU-6050。选择MPU-6050有如下一些理由：MPU-6000/6050是产业第一个针对智能型手机完整运动处理所设计的系列产品，特性为运动感测范围最广由250到2000°/sec、内建16-bit的模拟/数字转换器(ADCs)、可程控的数字滤波器、出厂前校准至1%的敏感度、内建六轴的多个感测组件融合算法技术(sensor fusion)，以及13mW的低耗电量。

①使用IIC通信协议易于读取数据的MPU-6050属于数字器件。而数字器件大多在内部集成了自身的时钟，电源，数据采集等模块，所以外围的电路会比较简单。

②即掌握了IIC通信协议，又学习了MPU6050陀螺仪的使用方法。

③可使用陀螺仪模块进行软件上的进一步优化，可实现较为复杂的游戏编写。

6、人体热释电红外模块

热释电传感器内部内部由两个热释电探头组成，分别称为A,B元。热释电探头可以将人体辐射出的能量变化，转换为电能变化。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经信号调理电路就可进入单片机。

该模块可结合RFID门禁模块进行综合实验的练习。

7、CC1101无线通信模块

CC1101是一款低于 1GHz设计旨在用于极低功耗RF应用。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。CC1101 可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、链路质量指示以及无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持。CC1101通过4线制的SPI接口作为从机和微控制器通信，微控制器通过SPI接口，读写CC1101内部的寄存器以及接收和发送FIFO。

①CC1101无线通信模块可与该实验平台上的任意传感器模块进行组合使用

②即掌握了SPI通信协议，又学习了CC1101无线通信模块的使用方法。

8、蓝牙无线通信模块

蓝牙无线模块主要用于短距离无线传输，如在设置网络、打印、或传输文件。蓝牙可以替代很多应用场景中的便携式设备的线缆，在能够应用于一些固定场所，如智能家庭能源管理（如恒温器）等。

①蓝牙无线通信模块可与该实验平台上的任意传感器模块进行组合使用

②该模块使用UART配置，调试很方便。

9、ZigBee无线通信模块

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

ZigBee协议栈建立在IEEE802.15.4的PHY层和MAC子层规范之上。它实现了网络层（networklayer，NWK）和应用层（applicationlayer，APL）。在应用层内提供了应用支持子层（applicationsupportsub-layer，APS）和ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。

①ZigBee无线通讯模块可与该实验平台上的任意传感器模块进行组合使用。

②通过学习本模块会对无线通信部分有进一步的了解，在使用上也比蓝牙更复杂一些。

10、GPRS无线通信模块

GPRS，通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。与GSM CSD业务不同的是，GPRS业务将以数据流量计费，而GSM CSD业务则以时间计费，GPRS这一计费方式更适应数据通信的特点。此外，GPRS业务的速度较GSM CSD业务也将有很大提高，GPRS可提供高达115kb／s的传输速率(最高值为171.2kb／s),下一代GPRS业务的速度可以达到384Kbit/s。

GPRS模块种类繁多，应用较多的有DATA-6106、MD-309G、SIM900A，前两者集成度高、价格相对昂贵。综合各方面考虑，在本实验平台中选用了SIM900A。

SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作的频段为：EGSM 900MHz和DCS 1800MHz，适合在全球市场设计。

在该无线传感器网络实验平台中该模块使用UART进行配置，使用时用内部的协议栈，直接使用AT指令即可，无需再自行编写协议栈，该模块用于发短信和语音通话，操作简单，入门方便，需要自行提供SIM卡即可。

11、RFID门禁模块

射频识别技术(Radio Frequency Identification——RFID)是上世纪80年代发展起来的自动识别技术。RFID技术按照工作频率的不同，可以分为中低频率段和高频率段。典型的频率段主要有135KHZ以下、13.56MHz、433MHz、860MHz~960MHz、2.4GHZ、5.8GHZ等等。RFID在不同频率下工作，那么它的应用领域也会有差别，低频的RFID技术主要应用在动物识别、工厂的数据自动采集等领域。而13.56MHz的RFID技术相对的成熟，其大多是以IC卡的形式应用于智能交通、门禁、等工作距离非常近的地方。

这里我们使用的MFRC522是NXP推出应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员，MFRC522支持ISO14443A/MIFARE标准，支持的主机接口有SPI、IIC和UART，MFRC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

系统数据存储在无源S50卡中，当S50卡靠近MFRC522模块的天线时，通过电磁场将能量传输给S50卡，同时与MFRC522建立通信，可以完成对S50卡的读写操作。

①RFID门禁可与该实验平台上的任意无线通讯模块进行组合使用。

②即掌握了SPI通信协议，又学习了RFID射频模块的使用方法。

12、WiFi通信模块

Wi-Fi模块是串口或TTL电平转Wi-Fi通信的一种传输转换产品，UART-WiFi模块是基于UART接口的符合Wi-Fi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换。

在本模块中选用的是北京市睿通慧联科技有限公司研发的RAK413。RAK413是一款完全符合802.11b/g/n无线协议的Wi-Fi模块，内部集成完整的TCP/IP协议栈，支持ARP、IP、ICMP、TCP、UDP、DHCP CLIENT、DHCP SERVER、DNS等多种协议。支持AP模式，Station及Ad-hoc。用户可以方便、快速地使用模块实现组网及数据收发。模块的串口波特率最高支持921600bps。完全满足低速率的应用。

在使用时，需要自行编写字符串处理和无线连接等程序，所使用的内部集成好的协议栈，只需调用AT指令即可，对于想学习WiFi通信的初学者来说，入门简单上手容易，且对于WiFi通讯有了进一步的了解。

13、气体检测模块

该无线传感器网络实验平台采用的是MQ-2型烟雾传感器，该传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等注意。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。

根据该特性可直接使用MSP430F5529单片机的ADC对气体进行浓度的采样。MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好，使用前必须先加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。

该无线传感器网络实验平台包含13种功能模块，不仅涉及嵌入式技术、模拟电子技术、数字电子技术等方面的知识，而且系统相对完善，对于想要学习无线传感器网络的初学者掌握常用传感器和无线通信模块有很好的帮助作用，且初学者可根据使用情况进行更深一步综合实验。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络实验平台，其特征在于：它是由集成于PCB主板的单片机（11）分别连接矩阵按键模块（1）、蜂鸣器报警模块（2）、液晶显示模块（10）、传感器模块及无线通信模块连接构成，上述元器件皆由电源模块（9）供电；

所述的传感器模块包括陀螺仪模块（3）、光照度检测模块（4）、人体热释电红外检测（5）、数字型温度传感器（6）、加速度传感器模块（7）、声强检测模块（16）、气体检测模块（8）；

所述的无线通信模块为CC1101无线通信模块（12）、RFID门禁模块（13）、蓝牙无线通信模块（14）、ZigBee无线通信模块（15）、WiFi通信模块（17）及GPRS无线通信模块（18）；

其中的CC1101无线通信模块（12）、RFID门禁模块（13）、ZigBee无线通信模块（15）通过SPI接口与主板连接；蓝牙无线通信模块（14）、WiFi通信模块（17）及GPRS无线通信模块（18）通过UART接口与主板连接；光照度检测模块（4）、声强检测模块（16）、气体检测模块（8）通过A/D转换模拟接口与主板连接；陀螺仪模块（3）、人体热释电红外检测（5）、数字型温度传感器（6）、加速度传感器模块（7）通过GPIO接口与主板连接。

2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络实验平台，其特征在于：所述的单片机（11）型号为MSP430F5529单片机。